Прежде чем приступить к интерпретации изображения с зонда BOOMERanG, еще раз подчеркну, что реальные физические размеры горячих и холодных пятен, наблюдаемых в этом эксперименте, однозначно определяются простыми расчетами свойств поверхности последнего рассеяния, а измеренные размеры горячих и холодных пятен определяются геометрией Вселенной. Объяснить эксперимент поможет простая двумерная аналогия: в двух измерениях замкнутая геометрия напоминает поверхность сферы, а открытая геометрия – поверхность седла. Если мы начертим на таких поверхностях треугольник, то пронаблюдаем тот самый эффект, который я описал выше: на сфере прямые сойдутся, на седле – разойдутся, а на плоскости, само собой, останутся прямыми.
А теперь вопрос на миллион долларов: какой же размер в действительности имеют холодные и горячие пятна на изображении с зонда BOOMERanG? Чтобы дать ответ на этот вопрос, рабочая группа эксперимента подготовила на компьютере несколько модельных изображений холодных и горячих пятен, какими они должны были выглядеть в случае замкнутой, плоской и открытой Вселенной, и сравнила их с реальным изображением микроволнового неба (цвета на приведенных здесь изображениях показывают интенсивность реликтового излучения).
Рассмотрим изображение внизу слева. Это модель замкнутой Вселенной: видно, что в среднем пятна больше, чем в реальной Вселенной. Справа пятна в среднем меньше. А вот картинка посередине, соответствующая плоской Вселенной, прямо как кроватка Мишутки из сказки про трех медведей, как раз впору. Похоже, это наблюдение доказывает, что верна самая математически красивая модель Вселенной, на которую и рассчитывали теоретики, хотя она явно противоречит оценке, сделанной на основании массы галактических скоплений.
В сущности, модель плоской Вселенной и изображение, полученное зондом BOOMERanG, совпадают так точно, что становится прямо неловко. Изучив пятна и выявив самые крупные, у которых хватило времени в значительной мере сколлапсировать к тому моменту, который соответствует поверхности последнего рассеяния, рабочая группа эксперимента BOOMERanG построила следующий график.
Точки – это данные. Сплошная линия дает предсказание для плоской Вселенной – и пик приходится примерно на 1°!
Уже после того, как рабочая группа эксперимента BOOMERanG опубликовала свои результаты, NASA запустило спутник с гораздо более чувствительным детектором для изучения реликтового излучения под названием WMAP
[16]. Этот зонд был назван в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который наверняка открыл бы реликтовое излучение, если бы его не опередили ученые из Bell Laboratories. WMAP запустили в июне 2001 г. на расстояние в 1,5 млн км от Земли в направлении от Солнца, откуда можно наблюдать микроволновое небо, не искаженное солнечным излучением. За семь лет зонд с беспрецедентной точностью заснял реликтовое излучение всей небесной сферы, а не просто отдельного участка, как BOOMERanG (поскольку последнему приходилось мириться с присутствием Земли, которая закрывала от него большую часть неба).
Здесь вся небесная сфера спроецирована на плоскость, как поверхность земного шара можно спроецировать на плоскую карту. Плоскость нашей Галактики проходит по экватору, Северный полюс на этой карте – это 90° над плоскостью, а Южный полюс – 90° под плоскостью Галактики. Однако изображение самого Млечного Пути с карты убрано, чтобы она отражала исключительно излучение, исходящее от поверхности последнего рассеяния.
Получив такие полноценные данные, можно сделать гораздо более точную оценку геометрии Вселенной. График по данным WMAP, аналогичный тому, что мы видели в проекте BOOMERanG, с точностью до 1 % подтверждает, что мы живем в плоской Вселенной! Ожидания теоретиков оправдались. Однако мы в очередной раз не можем пренебречь очевидным несоответствием этого результата тому, о чем я писал в предыдущей главе. Если взвесить Вселенную, измерив массу галактик и скоплений, получится в три раза меньше того количества, которое нужно, чтобы получилась плоская Вселенная. Это несоответствие надо чем-то компенсировать.
Пока теоретики хлопали друг друга по спине и поздравляли с верной догадкой о том, что Вселенная плоская, природа подготовила фантастический сюрприз, к которому никто не был готов. Он позволил разобраться с противоречиями в оценках ее геометрии, исходящих из вычисления массы и из непосредственно измеренной кривизны. Как выяснилось, недостающая энергия, необходимая для того, чтобы Вселенная была плоской, прячется буквально у нас под носом.
Глава 4
Много шума из ничего
Меньше – значит больше.
ЛЮДВИГ МИС ВАН ДЕР РОЭ
вслед за Робертом Браунингом
Шаг вперед, два шага назад – примерно так продвигались мы по пути к пониманию Вселенной, к тому, чтобы нарисовать ее портрет. Наблюдения наконец позволили сделать окончательный вывод о кривизне нашей Вселенной и тем самым подтвердили давние подозрения теоретиков. Но как-то внезапно оказалось, хотя уже было известно, что во Вселенной в десять раз больше вещества, чем можно насчитать в протонах и нейтронах, тем не менее оказалось большой неожиданностью, что даже столь огромного количества темного вещества – 30 % от необходимого для плоской Вселенной – все равно не хватает, чтобы учесть всю ее энергию. Непосредственное измерение ее геометрии и вытекающее из него открытие, что Вселенная и вправду плоская, означали, что нам все еще не хватает 70 % энергии Вселенной – ее нет ни в галактиках, ни в скоплениях галактик, ни вокруг них!
Впрочем, все было не настолько драматично, как я пытаюсь представить. Еще до этих измерений кривизны Вселенной и до определения общей массы скоплений, о чем мы говорили в главе 2, были признаки, что привычная в тот момент теоретическая картина нашей Вселенной – где темного вещества достаточно, чтобы она была плоской (то есть в три раза больше, чем по нашим нынешним данным), – попросту не соответствует наблюдениям. В далеком 1995 г. мы с коллегой Майклом Тёрнером из Чикагского университета написали еретическую статью, где предположили, что конвенциональная картина Вселенной не может быть верна и что единственный вариант, который может соответствовать и плоской Вселенной (эта теория нам с самого начала нравилась больше всех), и наблюдениям скоплений галактик и их внутренней динамики, выглядит куда более причудливым и восходит к отчаянной теоретической идее, которую высказал Альберт Эйнштейн еще в 1917 г., чтобы разрешить видимое противоречие между предсказаниями своей теории гравитации и стационарной Вселенной, в которой, как он полагал, мы живем, – идее, от которой он впоследствии отказался.
