Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Рассеяние, о котором только что шла речь, изменяет направление фотонов, но практически сохраняет их энергию (такое рассеяние называется томсоновским). Однако это не единственная возможность. Особо «горячие» электроны, чьи энергии выше средней энергии фотонов, могут поделиться с последними своей энергией (такой эффект называется обратным комптоновским рассеянием). Плотность подобных электронов в скоплениях галактик может быть весьма высока — порядка 1000 на кубический метр. Поэтому спектр реликтовых фотонов, которые по пути к Земле прошли сквозь такие скопления галактик, оказывается смещенным в сторону более высоких энергий. Этот эффект в начале 1970-х гг. предсказали Яков Борисович Зельдович и Рашид Алиевич Сюняев, и теперь он носит их имя.

Еще одна причина вторичной анизотропии — возникновение во Вселенной крупномасштабных структур, галактик и галактических скоплений. Поскольку они (вместе с окружающей их темной материей) создают локальные поля тяготения, реликтовые фотоны вблизи них набирают энергию на входе и теряют ее на выходе. Если бы эти поля были полностью статичными, потерянная энергия равнялась бы приобретенной, и фотоны продолжали бы миграцию по космосу в первозданном виде. Однако реально эти поля изменяются со временем, и это должно отразиться на энергии фотонов. Можно показать, что в расширяющейся Вселенной с нулевой кривизной пространства, описываемой космологической моделью Эйнштейна — де Ситтера, фотоны сохраняют первоначальную энергию. В других космологических моделях их энергия изменяется — это так называемый интегрированный эффект Сакса — Вольфа. Наличие или отсутствие этого эффекта позволяет судить о геометрии пространства-времени нашей Вселенной.

Понятно, что температурные флуктуации реликтового излучения обусловлены сложной гаммой причин и в целом отражают физическую историю Вселенной на разных этапах ее существования. Эта история представлена в конкретных космологических моделях, которые отличаются друг от друга численными значениями нескольких параметров. В минимальной версии Стандартной модели их шесть, в расширенных — более десятка (кстати, самым ранним космологическим моделям хватало всего трех параметров). Математический анализ данных, собранных во время наблюдения и измерения этих флуктуаций, позволяет определить эти параметры и на этой основе выбрать наилучшую теоретическую конструкцию, описывающую эволюцию Вселенной.

О том, как это делается, невозможно рассказать на пальцах, хотя вот несколько наглядных примеров. Для теоретического анализа первичных анизотропий реликтового излучения очень важно знать, под каким углом возможно наблюдать область пространства, соответствующую размеру Вселенной в эпоху рекомбинации. Чтобы вычислить его величину, необходимо определиться с космологической моделью. Для плоской Вселенной, которую описывает модель Эйнштейна — де Ситтера, этот угол равен 1,8°, для прочих моделей он имеет другое значение. Барионно-акустические осцилляции имеют максимальную амплитуду на длине волны, по порядку величины равной звуковому горизонту в эпоху рекомбинации. Так как скорость распространения этих колебаний в 1,7 раза меньше скорости света, максимум флуктуаций реликтового излучения в плоской Вселенной Эйнштейна — де Ситтера должен прийтись на угловой размер в 1°. Именно это и показывают наблюдения! Отсюда следует, что мы живем во Вселенной с плоской (или почти плоской) евклидовой геометрией пространства, кривизна которого равна или почти равна нулю. Возможно, это самый важный результат, извлеченный на сегодняшний день из богатейшего информационного резервуара реликтового излучения.

Данные о кривизне космического пространства можно получить и из наблюдений крупномасштабных (на угловых размерах в десятки градусов) осцилляций температур реликтового излучения, где работает интегрированный эффект Сакса — Вольфа. Чем больше кривизна пространства (и, следовательно, чем заметней его неевклидовость), тем сильнее должны изменяться со временем локальные гравитационные потенциалы. А такие изменения как раз и влекут за собой появление вторичной температурной анизотропии, обусловленной этим эффектом. Данные по крупномасштабным осцилляциям подтверждают, что нам выпало обитать в практически плоской Вселенной. Об этом же свидетельствует и угловое распределение акустических температурных пиков, также зависящее от кривизны пространства.