Прорыв за край мира

_{25.2. Столкновение двух скоплений галактик. Наложены три изображения: оптическое (галактики), рентгеновское (розовый цвет — горячий газ) и реконструкция распределения массы (синий цвет), сделанная с помощью гравитационного линзирования. Галактики с их звездами свободно прошли друг через друга и с ними — облака темной материи, в которых заключена основная масса (два синих облака). А газ скоплений, который по массе на порядок превосходит звезды галактик, неупруго провзаимодействовал -облака газа отстали от своих скоплений}

Если темная материя распадается на обычные частицы, в частности, на гамма-кванты, то последние можно обнаружить в космосе. Уже было несколько не подтвердившихся заявлений по этому поводу:

• Утверждалось, что вклад от распада темной материи видят в данных космического гамма-телескопа EGRET, но потом выяснилось, что это результат неправильного учета свойств детектора.

• Утверждалось, что космический спектрометр PAMELA регистрирует избыток позитронов, каковой объясняется распадом темной материи, но оказалось, что позитроны неплохо объясняются и обычными астрофизическими источниками.

• Утверждалось, что космический гамма-телескоп «Ферми» «увидел» особенность в спектре электронов больших энергий. Но после тщательной калибровки инструмента особенность «рассосалась».

• Наконец, в данных «Ферми» нашли пик в спектре гамма-квантов высоких энергий, летящих от центра нашей Галактики. Это приписали аннигиляции частиц темной материи. Уже вышли десятки, если не сотни работ на это тему. Автор недавно (в январе 2013 года) собственноручно проверил этот пик по открытым данным — вместо того, чтобы стать более значимым за последний год наблюдений, пик этот тоже практически «обнулился». То есть это была статистическая флуктуация.

Таким образом, темная материя пока старательно ускользает от нас.

26. Сверхскопления галактик как результат квантовых эффектов

Итак, современная структура Вселенной, включая скопления галактик и сами галактики, выросла из небольших флуктуаций плотности, которые прекрасно отражены на карте реликтового излучения. Далее приходится задаться вопросом: откуда взялись эти затравочные неоднородности? Мы видим их в эпоху рекомбинации, мы видим, что их амплитуда была порядка 10^-5 . До этой эпохи возмущения барионной компоненты вырасти практически не успели — они были такими с самого начала. С какого начала? Что породило эти флуктуации?

Оказывается, космологическая инфляция умеет делать и это.

Напомним, что в квантовой механике любое поле имеет нулевые (вакуумные) колебания, которые обычно не наблюдаемы. Скалярное поле, вызывающее инфляцию, — тоже. Но при разных видах воздействия вакуумные колебания могут становиться реальными флуктуациями полей — волнами, частицами — в зависимости от конкретной ситуации.

Ускоренное расширение пространства — один из видов такого воздействия. Вакуумное колебание поля имеет шанс превратиться в реальную флуктуацию, если пространство за период колебания данной частоты существенно расширится. Именно это и происходит при космологической инфляции.

Напомним, скорость расширения выражается через постоянную Хаббла H, для случая инфляции а = а_o·e^Ht где а — расстояние между произвольной парой точек пространства (масштабный фактор, определенный с точностью до постоянного множителя). Обратная величина 1/Н — время, за которое все расстояния в расширяющемся пространстве увеличиваются в е раз (для простоты слога ниже будем пользоваться словом «удвоение»).

Величина Н пропорциональна квадратному корню из плотности энергии скалярного поля. Если «мотором» инфляции (инфлатоном) является поле, связанное с физикой великого объединения (как поле Хиггса связано с физикой электрослабого взаимодействия), то естественное значение H, выраженное в планковских единицах, — где-нибудь 10^-6, а время удвоения расстояний — 10⁶ планковских времен, т.е. 10^-37 с. Это не обязательно точно так, просто остановимся на этих числах как на вероятной возможности.

При такой инфляции наиболее эффективно «реализуются» флуктуации с периодом порядка тех же 10^-37 с, или характерного размера 10^-27 см. Меньшие по размеру флуктуации не генерируются. Большие — генерируются, но с меньшей амплитудой, поэтому можно считать, что основные флуктуации инфлатона происходят именно на масштабе 10^-27 см. Какова их амплитуда? Грубо говоря, ее относительная величина порядка H ~ 10^-6 . Более точное значение определяется конкретной зависимостью V (f).