У стандартной космологии есть четыре главных экспериментальных подтверждения. Первое – разбегание галактик, обнаруженное Хабблом. Он заметил, что свет от удаленных галактик, приходящий на Землю, смешен в сторону длинных волн, и сделал вывод, что происходит это из-за эффекта Доплера. Смещение это измерено у десятка тысяч галактик – все согласуется с Большим Взрывом.
Второе подтверждение – микроволновый реликтовый фон. Аппаратура на спутнике СОВЕ (Cosmic Background Explorer) измерила его с высочайшей точностью: 2,728 градуса Кельвина плюс-минус две тысячных. Кроме того, распределение этого излучения по длинам волн очень точно соответствует спектру абсолютно черного тела, как и должно быть для газа горячих фотонов.
Третье – анизотропия этого самого излучения. Ее удалось обнаружить только в 1992 году с помощью сверхчуткого прибора – дифференциального радиометра, установленного на спутнике СОВЕ. Оказалось, что есть крошечные колебания в плотности вещества на самых ранних стадиях Вселенной, которые необходимы для возникновения галактик.
И наконец, четвертое – относительное содержание легких элементов в космосе. Оно показывает, что синтез гелия шел в первичном «котле» Вселенной, так его много.
Однако, несмотря на несомненные успехи, к Большому Взрыву есть немало вопросов. Главный – темное вещество. Лишь несколько процентов плотности Вселенной сосредоточено в светящемся веществе звезд. А по движению галактик и скоплений галактик астрономы чувствуют, что есть немало «темного вешества». Причем оно бывает двух типов: из обычных протонов и нейтронов и из неизвестных частиц.
Второй вопрос: откуда взялись первичные флуктуации плотности вещества, на которых потом «наросли» все космические структуры? Как это происходило? Этот вопрос тесно связан с предыдущим, поскольку именно в темном веществе сосредоточена основная масса Вселенной.
Третья проблема – отсутствие антиматерии. В первые мгновения жизни Вселенной, когда температура была очень велика, должно было рождаться одинаковое количество частиц и античастиц. Куда же делись все античастицы?
Еще одна проблема – однородность Вселенной на больших расстояниях (это показывает нам реликтовый фон). Обычно все сравнивается, когда разные части могут взаимодействовать, но далекие части Вселенной не могли этого сделать: слишком велики расстояния между ними. Даже свет не успел бы дойти от одной до другой за время жизни космоса.
Непонятно и само начало: почему произошел Большой Взрыв? Были ли другие подобные взрывы? Были ли у Вселенной другие измерения? Пришла пора думать над этими фундаментальными вопросами. Многие современные исследователи считают, что ответы на них лежат в самых первых мгновениях жизни Вселенной.
Восьмидесятые годы открыли возможность порассуждать об этих моментах: в физике элементарных частиц утвердилась Стандартная модель. В ее основе лежат кварки, лептоны и калибровочные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Взаимодействия между частицами слабеют при их сближении, поэтому в начальные моменты их можно рассматривать как газ частиц. Раньше десятитысячной доли секунды такое представление не работает, потому что там все переходит на кварковый уровень, а как устроены кварки, пока доподлинно не известно.
Физика элементарных частиц за последние годы обогатилась очень интересными идеями объединения всех взаимодействий в одно – это теории суперсимметрии, супергравитации и суперструн. Из них следуют предсказания для нарушения барионного числа, массы нейтрино, новых долгоживущих частиц, фазовых переходов – как раз то, что напрямую важно для космологии. Некоторые из этих предсказаний могут быть проверены в одном-единственном месте – ранней Вселенной. Поэтому-то некоторые теоретики микромира и переквалифицировались в космологов.
Результаты измерений средней плотности вещества во Вселенной. Нижняя полоса – по светящемуся веществу:
Средняя – по данным о содержании гелия и дейтерия. Верхняя – по движению галактик и их скоплений.
В золотые восьмидесятые годы в физическом сообществе царила эйфория всемогущества, и в этой атмосфере родилось немало интересных моделей, например инфляционный сценарий развития космоса, различные гипотезы о природе темного вещества, идея о рождении Вселенной из квантовых флуктуаций.
При инфляционном растягивании пространства неизбежно должны были возникнуть гравитационные волны, следы от которых (подобные реликтовому излучению) есть надежда отыскать сегодня. Это планируют делать на лазерных интерферометрах с большими базами. Эксперимент LIGO готовится в США, a VIRGO – в Европе. Из спектра гравитационных волн можно будет узнать, была-таки инфляция или нет.
Порой теоретики и экспериментаторы спорят, кто главнее и кто кого ведет по тернистому пути познания. В космологии сегодня такого конфликта нет, работа идет кооперативная. Экспериментаторы проверяют теоретические идеи, и теория получает возможность двигаться дальше.
Количество же экспериментальных данных все нарастает. Самый большой десятиметровый телескоп на [авайях измерял содержание дейтерия в далеких облаках водорода. Дэвид Титлер из Сан-Диего по этим измерениям уточнил плотность обычного вещества во Вселенной, теперь она известна с точностью до десяти процентов. Кроме того, наличие дейтерия в самых удаленных межгалактических облаках подтверждает, что был Большой Взрыв – только в нем мог этот дейтерий образоваться.
Все активнее экспериментаторы ищут и само темное вещество. Возможно, скрытая масса (иное название темного вещества) содержится в неизвестных пока частицах. Наиболее яркие кандидаты на эту роль – нейтрино с массой около тридцати электронвольт, совсем легонький аксион с массой в десятитысячную долю электронвольта и экзотическое нейтралино с массой между десятью и пятью сотнями протонных масс.
Легонький аксион может превратиться в фотон с малой энергией. Такие фотоны ищут в Ливерморской национальной лаборатории, в большой микроволновой полости. Там должны возбудиться крошечные колебания, которые надеются увидеть экспериментаторы.
Нейтралино ищет группа Бернарда Садуля в Калифорнии. Залетев в очень холодный кристалл кремния или германия, эта частица может чуток подогреть его, а экспериментаторам остается лишь заметить этот «чуток». Сюзанна Купер из Оксфорда наблюдает за куском сапфира, а Петер Смит – за кристаллами йодистого натрия. Все эксперименты проводятся глубоко под землей, чтобы заслониться от потоков космических лучей, в ливнях которых просто не разглядишь редких и долгожданных гостей.
Ищут нейтралино и на больших подземных нейтринных детекторах – Суперкамиоканде в Японии, в тоннеле 1ран Сассо в Италии, ищут их и на ускорителях. Планируют запустить измеритель космической анизотропии в 2001 году (проект НАСА) и европейский проект в 2004 году. Они определят анизотропию реликтового фона с точностью в тридцать раз лучше СОВЕ. Тогда можно будет гораздо точнее ограничить параметры моделей. В ближайшие пять – десять лет многое должно проясниться.
Здесь в самый раз перейти к нейтринной астрономии. Уже в ее названии кроется тесное родство астрофизики и физики микромира, где нейтрино – самый таинственный обитатель.
Астрономы всю жизнь строили телескопы где-нибудь на вершинах гор, чтобы воздух был почище, а городские фонари не мешали свету звезд. Нейтринные астрономы поступают иначе: они забираются как можно глубже – под землю, под воду, а то и под лед на Южном полюсе. И несмотря на совершенно астрономические трудности, эта область уже сформировалась как самостоятельная экспериментальная дисциплина. Ей принадлежат интереснейшие физические результаты последних полутора десятилетий: убедительное доказательство массы нейтрино и наблюдение нейтрино от сверхновой звезды 1987 года.
Новое поколение детекторов для солнечных нейтрино было настроено искать нарушение Стандартной модели или же экзотического поведения Солнца – третьего не дано. А первое поколение больших нейтринных телескопов планирует заглянуть далекодалеко в космос…