Загадочное холодное пятно реликтового излучения

Рис. 1. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным космической обсерватории «Планк». Синим цветом обозначены области, которые примерно на пару десятков микрокельвинов холоднее красных. Изображение с сайта esa.int

Реликтовое излучение — свет от первичной плазмы ранней Вселенной, который сейчас регистрируется в виде микроволнового фона, — помогло разрешить множество вопросов космологии. Благодаря нему теория Большого взрыва стала стандартной теорией о Вселенной. И сейчас мы всё еще продолжаем получать важную информацию, изучая реликтовое излучение. Но в нем имеются аномалии, которые ученые до сих пор не понимают. Среди них — холодное пятно, с которым связана одна из самых горячих дискуссий в современной космологии.

Холодное пятно реликтового излучения

Флуктуации реликтового излучения распределены по небесной сфере очень равномерно: мы не видим, чтобы в какой-то области неба красные (или синие) пятнышки были больше или меньше. Ну, то есть почти не видим. Имеется по крайней мере одна аномалия, называемая «холодным пятном» (см. CMB cold spot). Она находится в созвездии южного полушария Эридан и имеет радиус примерно 5° (рис. 6). Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 мкК ниже, чем в среднем (при том, что среднее отклонение по всему небу составляет только 18 мкК), а в его центре температура падает вообще на 150 мкК. Холодное пятно было впервые обнаружено в 2001 году при помощи WMAP — космического микроволнового телескопа второго поколения (первое поколение экспериментов по исследованию флуктуаций реликтового излучения было в 80–90-х годах, сейчас начинается уже четвертое поколение).

Рис. 6. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным спутника Planck. На врезке крупно показано холодное пятно. Изображение с сайта astronomy.com

Но главная проблема даже не в температуре холодного пятна, а в его размере. Просто глядя на карту реликтового излучения, сложно сказать, что выделенное холодное пятно является чем-то необычным и странным. Казалось бы, имеются и красные (горячие) и синие (холодные) пятна гораздо большего размера. Тут, во-первых нужно помнить, что эта картинка — восстановленная карта флуктуаций реликтового излучения. Всё, что находится на центральной горизонтали, на самом деле скрыто от нас излучением Млечного Пути (см. рис. 3). И требуется непростая процедура комбинирования карт неба на разных частотах, чтобы «вычесть» нашу Галактику. В итоге мы получаем полную карту реликтового излучения, но областям, скрытым за Млечным Путем, особого доверия нет, и в анализе они обычно не используются. Большинство видимых глазом пятен лежит именно в этой ненадежной области карты. Холодное же пятно лежит в «чистой», надежно измеренной области неба, далеко от Млечного Пути. Во-вторых, оно и правда необычайно холодное.

Чтобы объяснить, почему холодное пятно такое странное, введем понятие горизонта. Горизонт — это максимальное расстояние, которое частица может пролететь с момента Большого взрыва, если она движется со скоростью света. Горизонт ограничивает причинно связанные области Вселенной: так как информация (то есть любой вид физических взаимодействий) не может распространяться быстрее скорости света, области Вселенной, отделенные друг от друга на расстояние больше горизонта, не должны иметь ничего общего между собой. В момент отделения реликтового излучения горизонт имел размер, который сегодня виден под углом примерно 1° (вспомните, что первый пик на спектре мощности находится именно на значении 1°).

Таким образом, очень странно видеть, что в холодном пятне температура коррелирует на больших расстояниях. Выглядит так, будто в этом месте произошло что-то, что распространялось со скоростью больше скорости света.

На самом деле ученые так и считают, что в ранней Вселенной был процесс, расширявший пространство быстрее скорости света. Этот процесс происходил в эпоху инфляции, закончившуюся примерно через 10−33 с после Большого взрыва. Благодаря инфляции сегодня мы видим реликтовое излучение изотропным на больших угловых расстояниях.

Одно из самых распространенных заблуждений о теории Большого взрыва связано с тем, что Большой взрыв берет начало из сингулярности, которая в простом понимании ассоциируется с точкой. Поэтому возникают вопросы типа: «А где на небе находится точка, где произошел Большой взрыв?» Такой точки нет, и вот почему. Считается, что Вселенная бесконечна, хотя мы и не видим ее всю целиком. И еще мы знаем, что Вселенная расширяется. Если мы посмотрим назад по оси времени, мы, соответственно, увидим, что она сжимается. А теперь вопрос: если мы сжимаем бесконечность, в какой момент она перестанет быть бесконечной и превратится в «нуль»? Правильный ответ: ни в какой! Бесконечность так и останется бесконечной, даже если мы ее бесконечно сожмем. То же самое и со Вселенной: она была бесконечной в каждый момент ее истории, в том числе в момент Большого взрыва.

Но теперь, если Вселенная с самого начала была бесконечной, то почему реликтовое излучение имеет почти одинаковую температуру по всему небосводу? Ведь мы говорили, что размер горизонта составляет всего около 1°! А значит, реликтовое излучение должно состоять из многочисленных причинно не связанных областей. И очень странно видеть, что они такие одинаковые. Это называется проблемой горизонта (см. Horizon problem).

Чтобы справиться с этой проблемой (и несколькими другими связанными задачами), физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт разработали теорию инфляции, согласно которой вся наблюдаемая нами сегодня Вселенная «раздулась» (английское слово «inflate» означает «надувать») из некоторой небольшой причинно связанной области. Теория инфляции, которая нередко рассматривается как часть стандартной модели космологии, предполагает, что в промежуток от 10−36 с до 10−33–10−32 с после Большого взрыва Вселенная расширялась с огромным ускорением (затем она продолжила расширяться, но уже без ускорения). Хотя до сих пор физики не пришли к единому мнению, за счет какого именно процесса Вселенная расширялась с ускорением в период инфляции, имеются многие экспериментальные указания, что это было действительно так. В настоящий момент ведутся поиски последнего доказательства инфляции — B-мод поляризации реликтового излучения.

И благодаря инфляции мы получили неоднородности в распределении плотности Вселенной, из которых позднее сформировались галактики (сначала эти неоднородности были микроскопическими квантовыми флуктуациями, которые затем «раздулись» до больших размеров). Однако, хотя инфляция и предлагает механизм, связывающий области Вселенной на сверхгоризонтных расстояниях, всё равно странно: почему везде неоднородности реликтового излучения имеют размер в 1° и меньше, а в районе холодного пятна — целых 5°?

Итак, подведем промежуточные итоги. На карте реликтового излучения имеется очень странная аномалия — холодное пятно. Она отличается большим размером, около 5°, и низкой температурой — отклонение от средней температуры реликтового излучения почти в 10 раз больше, чем в других областях неба.

https://www.youtube.com/watch?v=YOVg7b9SsZk

Крупномасштабная структура Вселенной в компьютерном моделировании, основанном на стандартной космологической модели. Каждая светящаяся точка — галактика. Размер изображенной области более 100 миллионов световых лет в поперечнике