Прорыв за край мира

Мы хорошо знаем состав Вселенной той поры. Он складывался из водородно-гелиевой плазмы, фотонов, почти безмассовых нейтрино и медленно движущихся частиц темной материи. Львиная доля энергии-массы заключалась в фотонах и нейтрино. Они (как и связанная с фотонами плазма) не могли поддаваться самотяготению из-за своего огромного давления. А темная материя могла подчиняться гравитации, поскольку была не зависима от фотонов и обладала ничтожным давлением. Именно ее контраст начал расти, правда, медленно — как логарифм времени. В первые месяцы доля темой материи была ничтожной — порядка одной тысячной от плотности энергии фотонов с нейтрино. Но соотношение росло в пользу темной материи: ее количество в сопутствующем объеме не менялось, а фотоны с нейтрино остывали, и их вклад уменьшался.

Паритет наступил в возрасте 80 тыс. лет. К этому моменту логарифмический рост довел контраст сгустка до 3·10^-4 . При этом изменилось уравнение состояния Вселенной, ее расширение пошло по другому закону: масштабный фактор а стал зависеть от времени t как а ~ t^2/3 (до этого, напомним, расширение шло по закону а ~ t^1/2). А рост возмущений при этом ускоряется еще радикальней: из логарифмического он превращается в линейный. К отметке 80 тыс. лет масса сгустка X составила порядка 10¹³ масс Солнца и с тех пор изменилась менее чем в два раза — в массе стала доминировать холодная темная материя, которая никуда не девается. Контраст темной материи продолжал расти, но обычное (барионное) вещество по-прежнему не участвовало в гравитационном росте возмущений по той же причине: давление излучения намного превосходило силы самотяготения. Однако, плазма с излучением продолжали жить своей весьма интересной жизнью: они были подвержены акустическим колебаниям плотности. Эти колебания привели к важнейшему эффекту: акустическим (или сахаровским) осцилляциям, которые непосредственно наблюдаются на карте реликтового излучения. Это явление и роль, которую оно сыграло, описаны ниже в главе 28.

В возрасте 380 тыс. лет происходит рекомбинация, барионы «отклеиваются» от фотонов. Реликтовое излучение сохранило и донесло до нас карту распределения плазмы той поры, и мы видим возмущения с амплитудой порядка 10^-5 . Но реально возмущения плотности темной материи в то время были в сто раз больше и продолжали расти. Контраст сгустка X составил 210^-3 и продолжал расти. После рекомбинации барионное вещество стало вести себя в больших масштабах как пыль (давление пренебрежимо) и скатываться в ямы гравитационного потенциала, образованные темной материей, догоняя последнюю по амплитуде возмущений. Сгусток X стал сгустком не только темной, но и обычной материи.

Как только амплитуда возмущений становилась порядка единицы, начинался более быстрый нелинейный рост, заканчивающийся формированием объектов. Со сгустком X это произошло в возрасте 2-3 млрд лет. Он оказался гравитационно связанным и перестал расширяться вместе со Вселенной.

Конечно, любой сгусток не оставался изолированным — распределение плотности Вселенной было наложением неоднородностей разных масштабов. Сгусток X сам был неоднородным, включал в себя более мелкие уплотнения. Поэтому он разбился на группу небольших галактик, в которых начали интенсивно рождаться звезды. Вероятно, потом эти галактики слились, и часть сгустка X объединилась в одну большую галактику. Может быть, в нашу.

С другой стороны, он входил в состав какой-то неоднородности большего размера. Из этой неоднородности позже, возможно, образовалось скопление галактик а из еще большего — стенка крупномасштабной структуры.

Из рис. 27.1 видно, что возмущения меньшего размера раньше входят под горизонт, значит, начинают расти раньше и потому раньше выходят на нелинейный рост. Первые астрофизические последствия дали возмущения, стартовавшие от размера 10^-6 см после инфляции (красная линия). В возрасте сотни миллионов лет они вышли на нелинейную стадию и дали начало первым звездам, которые были гораздо больше современных, имея другой химический состав и другие параметры устойчивости.

Эти звезды обладали массой около 100 масс Солнца, но масса вещества (вместе с темной материей), вовлеченного в конденсацию каждой из этих звезд, была в тысячи раз больше. Неоднородности массы меньше 10⁵ масс Солнца в ту эпоху не могли образовывать объектов из-за значительного давления вещества. Меньшие объекты возникли позже в галактиках. Самыми крупными объектами, которые успели образоваться, стали элементы крупномасштабной структуры, которые не являются гравитационно связанными и находятся на линейной стадии до сих пор.

Такова судьба микроскопических квантовых флуктуаций метрики пространства, возникших за 10^-35 с до конца космологической инфляции.

29. Реконструкция из-подо льда.

Здесь надо перевести дух и вернуться к европианам с их научными проблемами, которые нам, живущим на планете с прозрачной атмосферой, кажутся совсем простыми. Из-подо льда они простыми не кажутся.