Европейский исследовательский спутник «Планк» с беспрецедентной точностью замерил остаточное излучение Большого взрыва. Цель миссии – разрешить загадку: действительно ли Вселенная возникла из ничего?

Сначала была энергия. Когда 13,7 млрд лет назад родилась наша Вселенная, ее температура измерялась квинтиллионами градусов. По мере расширения огонь творения слабел.
Молодая Вселенная вступила в новую фазу развития: сверкающий «бульон» остыл настолько, что часть энергии стала материей. Из мириад атомов с течением времени сформировались галактики, светила, планеты, позднее – животный мир и даже люди.
Реликтовое излучение уже не играет большой роли в формировании космоса; сегодня оно просто расходится волнами по просторам мироздания, постепенно стихая, как эхо далекого грома творения. Каждый кубический сантиметр мирового пространства до сих пор пронизывает около 400 изначальных фотонов; без них космический вакуум был бы на 3 градуса холоднее.
На «свет», не гаснущий с начала времен, астрофизики впервые обратили внимание в 60-х годах прошлого века, когда при помощи радиотелескопов было открыто фоновое излучение в микроволновом диапазоне, равномерно поступающее со всех направлений.
Полвека спустя исследователям при помощи исследовательского спутника «Планк», запущенного в 2009 году с применением ракеты-носителя «Ариан-5», удалось с высокой точностью измерить интенсивность реликтового излучения. На основании данных, собранных космической обсерваторией, получилась температурная карта фонового космического излучения – пестрое лоскутное одеяло.
«Это как детская фотография Вселенной, – радуется Торстен Энслин из Института астрофизики имени Макса Планка в Гархинге. – Она должна нам поведать, что на самом деле происходило после Большого взрыва».
Год назад космическая обсерватория закончила измерения, и начались вычисления. Исследователи космоса с нетерпением ждут 21 марта: на брифинге Европейское космическое агентство объявит результаты своей аналитической работы. Независимо от того, какими именно они окажутся, ученые получат пищу для размышлений на ближайшие годы. Над интерпретацией фотографии из родильной палаты мироздания будут размышлять лучшие умы научного сообщества.
То, что так будоражит воображение астрофизиков, человеку со стороны кажется не слишком интересным: речь идет о минимальной температурной амплитуде, которая с трудом поддается измерению. Фоновое излучение поступает отовсюду, но не везде его интенсивность оказывается одинаковой. Где-то «зарево Большого взрыва» на несколько миллионных долей градуса теплее или холоднее среднестатистического значения. И такие температурные колебания соответствуют разнице между космической пустотой и островками галактик.
Согласно представлениям исследователей космоса, часть фотонов рождается в тех частях Вселенной, где материя уже на ранней стадии обладала более высокой плотностью. Ее сгустки стали зернами, из которых впоследствии сформировались галактики и звезды. «Реликтовое излучение в микроволновом диапазоне как бы увековечивает самые ранние структуры космоса», – объясняет Энслин. Он входит в группу экспертов, которые занимаются анализом собранных данных.
Ученые ищут подозрительные отклонения от средней температуры излучения, которые должны стать ключом к пониманию конкретных обстоятельств сотворения мира, в частности того, с какой скоростью Вселенная расширялась сразу после рождения, сколько в ней нормальной, а сколько невидимой, темной материи, о которой до сих пор невозможно толком сказать, из чего она состоит. Все предшествующие измерения фонового излучения, которые, правда, не обеспечивали должной точности, вроде как подтверждали общепринятую модель Большого взрыва, а вместе с ней и инфляционную теорию происхождения Вселенной. Согласно данному сценарию, наш космос возник буквально из ничего.
Все сущее, если принять данную идею, берет начало в микрокосмосе. Как гласят чудесные законы квантовой физики, даже вакуум не являет собой абсолютную пустоту. В нем постоянно возникают призрачные частицы, которые тут же вновь распадаются. Физик-ядерщик Ханс Кристиан фон Байер нашел для динамического вакуума поэтические слова: «Представьте себе тихое озеро летней ночью, на поверхности которого видна легкая рябь, в то время как повсюду, подобно светлячкам, мерцают парочки электронов и позитронов».
Но в микрокосмосе могут происходить и куда более драматичные события. Дело не ограничивается частицами из ничего; вполне возможно, что сам вакуум может переходить в более высокое энергетическое состояние без всяких причин. В таком случае энергия вакуума выступает в качестве антигравитационной силы, которая приводит к резкому расширению пространства, какое предшествовало Большому взрыву.
Инфляционная теория утверждает, что за доли секунды некая точка пространства размером меньше атома достигла величины известной нам Вселенной. Под конец инфляционной фазы гигантская энергия космического вакуума преобразовалась в излучение и материю. А спустя 200 млн лет зажглись первые звезды.
Мало кто из исследователей космоса всерьез считает, что измерения космической обсерватории «Планк» могут опровергнуть инфляционную теорию. Если такое случится, это будет неожиданностью для всех. Тем не менее новые сведения могут подвигнуть физиков к построению еще более сложных уравнений. «И в конечном итоге теория может стать настолько запутанной, – говорит Энслин, – что по-настоящему верить в нее будет уже невозможно».
Согласно стандартной модели, таинственные частицы – так называемые инфлятоны – привели к взрыву, в результате которого появилась Вселенная. Инфлятоны должны были оставить характерный узор в фоновом излучении, который помогут обнаружить результаты измерений, произведенных космической обсерваторией «Планк». Но возможно, что до Большого взрыва должны были существовать различные типы инфлятонов. Вот только каким образом несколько разновидностей экзотических частиц могли возникнуть одновременно, не знает никто.
Ученые, скептически настроенные по отношению к инфляционной модели, надеются, что сведения, собранные космической обсерваторией «Планк», позволят им получить аргументы в пользу совершенно иной истории возникновения Вселенной. Сотворение мира из ничего им слишком напоминает математический фокус.
«Идея, согласно которой все началось с Большого взрыва, мне представляется не особенно убедительной, – говорит Жан-Люк Ленерс, занимающийся физикой гравитации в Институте имени Макса Планка в Потсдаме. – Многое заставляет полагать, что до него было что-то еще».
Гипотетическую альтернативу общеупотребительной теории Большого взрыва являет собой модель циклической Вселенной, по которой наш космос постоянно заново рождается и погибает, – возможно, речь идет о бесконечной череде рождений, смертей, новых рождений...
Каждый раз на закате Вселенной, по прошествии многих триллионов лет, когда гаснут последние светила, а материя самоупраздняется, происходит полное драматизма событие: рождение нового мира. Теория гласит: Вселенная, которая до этого непрестанно расширялась, вдруг начинает сжиматься. В результате аккумулируется гигантская энергия, после чего напряжение разрешается вследствие очередного Большого взрыва, и космическое пространство снова начинает расширяться.
Следовательно, как и в инфляционной модели, рождение новой Вселенной опять-таки сопряжено с высвобождением колоссальной энергии, которая позднее конденсируется, давая жизнь звездам. «Но то, что, согласно инфляционной модели, происходит за доли секунды, – говорит исследователь космоса Ленерс, – в циклической Вселенной занимает миллиард лет».
«Скручивание» и последующее повторное «раскручивание» циклической Вселенной тоже оставит «предательское» реликтовое излучение, правда, несколько иное, чем процесс инфляционного расширения. «Поэтому сейчас крайне важны детали, — говорит Ленерс. — Нам нужно будет внимательно изучить сделанные замеры».
Помимо этих двух теорий есть и другие идеи относительно того, как могла появиться наша Вселенная. Один из наиболее диковинных сценариев гласит, что это случилось в результате столкновения друг с другом двух соседних — параллельных — вселенных. Данное происшествие, утверждают авторы, стало причиной Большого взрыва — и дало жизнь новой Вселенной.
Сколь бы абсурдным это ни казалось, при соответствующем развитии событий тоже должно было бы образоваться фоновое космическое излучение, которое мы действительно наблюдаем.
«Положение исследователей Большого взрыва можно сравнить с той ситуацией, в которой находились первооткрыватели Америки, — подводит итог астрофизик Энслин. — Мы знаем, как добраться до нового континента, и при помощи обсерватории «Планк» изучаем береговую линию — но точное местонахождение «райских кущ» мы, вероятно, не определим».