Эволюция Вселенной и происхождение жизни - [141]

Требуется темная материя.

Ответ на этот вопрос, как мы его сегодня понимаем, заключается в том, что решающие возмущения плотности возникли не в обычной, а в темной материи. Она нечувствительна к влиянию излучения, и поэтому ее скучивание могло начаться раньше — еще в эпоху доминирования излучения, когда обычная материя, пронизанная излучением, была упругой и имела слишком большую длину Джинса. Пятна фонового излучения отражают скученность только обычного вещества в эпоху рекомбинации. Но возмущения плотности темного вещества в тот момент уже могли иметь гораздо больший масштаб, примерно 1 % или около того. Следовательно, темная материя конденсировалась в отдельные уплотнения, которые затем стягивали к себе окружающее их обычное вещество. Таким образом, первыми образовавшимися структурами были гало из темной материи. Они и стали основой галактик, которые позже росли в процессе многочисленных слияний разных гало и захваченного ими обычного вещества.

Откуда взялись эти 1 %-ные возмущения? Предполагается, что они возникли в темном веществе довольно рано. Сначала эти уплотнения были похожи на те, которые возникают в звуковых волнах (волны давления), распространяющихся от одного места к другому. Неужели кто-то громко кричал сразу после рождения Вселенной? На самом деле, возможны естественные процессы, возбуждающие звуковые волны. Например, они могли возникнуть в конце эпохи инфляции. Если переход от инфляции к нормальному расширению произошел (согласно принципу неопределенности Гейзенберга) не совсем одновременно повсюду во Вселенной, то быстро расширяющиеся части Вселенной могли сталкиваться с более медленно расширяющимися частями. Это должно было возбуждать волны давления, которые могли дожить до момента, когда темная материя отделилась от излучения (конец эпохи Вайнберга-Салама; см. врезку 24.1); после этого они могли эволюционировать в виде медленно сжимающихся конденсаций.

Согласно одной из идей, первичные возмущения образовались под влиянием космических струн. Струнами называют предполагаемые складки пространственной метрики, где пространство сильно искривлено. Можно представить себе струны как невидимые нити, проходящие по Вселенной, которые можно обнаружить только по их гравитации. До сих пор космические струны не обнаруживались, однако, согласно физическим теориям великого объединения, множество струн могло образоваться в эпоху теорий великого объединения. Через несколько лет после Большого взрыва эти струны постепенно должны были свернуться в простые петли. Затем замкнутые петли должны были стать теми областями пространства, вокруг которых собирались протогалактические возмущения. В конце концов струны должны были сжаться и окончательно исчезнуть, отдав свою энергию гравитационным волнам и частицам. Поэтому нет смысла искать космические струны в современных галактиках: если они действительно запустили процесс образования галактик, то сами должны были исчезнуть еще до того, как галактики сформировались.

Формирование крупномасштабной структуры.

Галактики образуют цепочки и слои, разделенные почти пустыми областями; однако это не свидетельствует в пользу космических струн или космических блинов. Теперь мы знаем, что подобные структуры образуются в расширяющейся Вселенной в ходе естественного скучивания галактик в скопления под влиянием силы тяготения. Невозможно заранее сказать, какие формы создаст гравитация; впервые на это обратил внимание норвежец Сверр Аарсет из Кембриджского университета, проведя с коллегами компьютерное моделирование в 1979 году. Примерно тогда же в Гарварде Хакра, Геллер и другие под впечатлением от карт, представленных Йыэвеером и Эйнасто на совещании в Таллине в 1977 году (см. главу 22), начали большой обзор распределения галактик. Появилась возможность сравнить структуру реальной Вселенной и мира, созданного в компьютере.

Сейчас научные коллективы многих стран используют высокоскоростные компьютеры и сложные вычислительные коды для трехмерного моделирования гравитационного скучивания материи в расширяющейся Вселенной. Расчеты показывают, что гравитация ответственна за формирование галактических структур в масштабах примерно от 1 млн до 200–300 млн световых лет (рис. 27.2).

Рис. 27.2. Галактики распределены в пространстве весьма сложно и неоднородно. Похожую картину дает и компьютерное моделирование. Представленная этой серией рисунков численная модель демонстрирует эволюцию 130 млн частиц темной материи от почти равномерного распределения при красном смещении z — 7,7 до сложного сотообразного распределения в нашу эпоху (z = 0). Сторона каждой картинки равна 200 млн световых лет (60 Мпк). Вычисления проведены на 256-процессорном суперкомпьютере Cray ХТ4 Финского научного вычислительного центра. С любезного разрешения: Нурми П., Ниеми С., Холопайнен Я., Хейнямяки П.

Гравитация способна сделать сложные объекты из простых начальных форм. Уильям Саслау (Вирджиния и Кембридж, Англия) заинтересовался вопросом, что же случится, если первоначальные галактики разбросать по листу бумаги случайным образом (закон Пуассона, см. главу 22). Он обнаружил, что гравитация собирает галактики и способна создать сильно структурированную Вселенную из случайно распределенных единиц. Но для этого нужно время. Если начать с галактик, распределенных в пространстве менее чем за миллиард лет от начала и до сих пор, можно получить почти ту же структуру скоплений, которую мы и наблюдаем на небе.