Проблема горизонту та інфляційна космологія: як ранній Всесвіт «домовився» бути таким дивовижно однаковим у всіх напрямках?

Проблема горизонту: чому далекий Всесвіт виглядає однаково

Проблема горизонту (її ще називають проблемою однорідності) – це класичний парадокс в рамках стандартної моделі Великого вибуху[1]. Спостереження показують, що Всесвіт в усіх напрямках надзвичайно однорідний і ізотропний (має майже однакові властивості всюди). Зокрема, температура космічного мікрохвильового фону (КМФ) на протилежних кінцях неба однакова з точністю до десяти-тисячних часток (відхилення ~10⁻⁵)! Але за стандартною теорією Великого вибуху ці далекі області ніколи не могли обмінятися світлом чи будь-яким сигналом, щоб «погодити» свої параметри, адже відстані між ними надто великі. Інформація (світло) просто не встигла б пройти між ними за весь вік Всесвіту. В момент випромінювання КМФ (через ~380 тисяч років після Великого вибуху) розмір причинно зв’язаної області був близько 300 тисяч світлових років. Це відповідає лише ~1° на сучасній небесній сфері. Отже, дві точки на карті КМФ, розділені кутом більше ~1°, не мали спільного «горизонту подій» на час виникнення цього випромінювання ned.ipac.caltech.edu. Чому ж сьогодні ми бачимо, що всі ці причинно не пов’язані області мають практично ту саму температуру? Саме цю загадку і називають проблемою горизонту: важко пояснити спостережувану однорідність далеких регіонів простору, які ніяк не могли взаємодіяти між собою в ранньому Всесвіті[2].

Схематична ілюстрація проблеми горизонту. На зображенні показано, що світло від різних областей космічного мікрохвильового фону (точки A та B) було випроменене, коли Всесвіту було лише ~300 000 років (малі кола). За цей час світло могло подолати відстань не більше радіуса цих кіл. Тому дві ділянки неба, розділені великою відстанню, не мали спільної області причинного контакту (їхні сфери впливу не перетиналися). Попри це, сьогодні ми спостерігаємо майже однакову температуру випромінювання від обох ділянок – факт, який неможливо пояснити в рамках стандартного розширення Всесвіту.

Без додаткових припущень стандартна космологія передбачає, що різні частини раннього Всесвіту розвивалися незалежно одна від одної, тому цілком логічно було б очікувати помітні відмінності між ними. Наприклад, Всесвіт міг би складатися зі «шматків» із різною температурою, щільністю та кривиною простору. Більш того, рівняння Айнштайна дозволяють Всесвіту мати будь-яку кривину (відкриту чи замкнену геометрію) – тож природно постає питання, чому наш Всесвіт настільки плаский (евклідів простір) і однорідний на великих масштабах[1], замість сильно викривленого і неоднорідного. Ці розбіжності між спостереженнями і простими теоретичними очікуваннями називають проблемами тонкого налаштування. Проблема горизонту – одна з найгостріших таких загадок, оскільки однорідність КМФ на різних кінцях неба потребує якогось спеціального механізму, що забезпечив би єдині умови в усьому спостережуваному Всесвіті.

Інфляційна модель Всесвіту Алана Гута: елегантне рішення парадоксу

На початку 1980-х років фізик Алан Гут (нар. 1947) запропонував революційну ідею, яка розв’язала проблему горизонту, а заодно пояснила ще кілька космологічних загадок. Ця ідея отримала назву інфляція – теорія надстрімкого розширення Всесвіту на самому ранньому етапі його існування. Гут звернув увагу, що стандартна модель вимагає дуже неприродних початкових умов: Всесвіт мав би народитися вже практично однорідним (щоб КМФ був рівномірним) і вже майже пласким (щоб нині його геометрія близька до евклідової)[3]. Він висунув гіпотезу, що такі умови могли встановитися самі по собі внаслідок особливої фази в ранньому Всесвіті. Якщо на мить після Великого вибуху Всесвіт увійшов у стан з аномально високою густиною енергії вакууму і від’ємним тиском, це призвело б до гігантського вибухового розширення простору – експоненційної інфляції[3]. Під час цієї фази розміри Всесвіту могли збільшитися у багато разів, фактично «роздувши» невелику початкову однорідну область до масштабів, більших за сучасний спостережуваний Всесвіт. Усі частини нашого видимого Всесвіту, які сьогодні розділені десятками мільярдів світлових років, за інфляційної моделі колись були надзвичайно близько – в межах однієї причинно зв’язаної ділянки до інфляції[2]. Тож вони встигли обмінятися енергією і вирівняти температуру між собою ще до інфляційного розширення. Таким чином, інфляційна космологія природно пояснює, чому весь ранній Всесвіт мав однакові властивості: все, що ми бачимо, походить з однієї «термостатованої» області, роздутої до колосальних розмірів.

Алан Гут (нар. 1947). Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6181859

Інфляційна гіпотеза одразу вирішувала не тільки проблему горизонту, а й інші дві головоломки: проблему пласкості та проблему монополій. Перша полягає в тому, що нинішня просторово-пласка геометрія Всесвіту потребувала б майже ідеальної рівноваги між густиною матерії і критичною густиною з самого початку – неймовірно малоймовірний збіг. Однак стрімке розширення розгладжує будь-яку початкову кривину простору, подібно до того як поверхня надутого повітряної кулі стає все більш пласкою[2]. Друга проблема – теоретично очікувана присутність великої кількості реліктових магнітних монополів (масивних частинок) – теж вирішується: інфляція розріджує їх концентрацію до невимірно малих величин[2].

Механізм космічної інфляції: Всесвіт, що роздувся за мить

Як же працює інфляція? Теорія описує особливий стан раннього Всесвіту, коли простір був заповнений однорідною «вакуумною» енергією (скалярним полем, яке фізики називають інфлатоном). Цей стан характеризувався від’ємним тиском, що згідно з рівняннями Ейнштейна викликає антигравітаційний ефект – простір починає розширюватися з прискоренням. Розширення відбувається експоненційно, тобто чим більше простір розширюється, тим швидше він продовжує зростати. Всього за крихітну мить (порядку 10⁻³⁵ – 10⁻³² секунд) масштаб Всесвіту зріс щонайменше у 10²⁶ разів![2] Для унаочнення: це якби за одну трильйонну трильйонної долі секунди гора заввишки 1 метр збільшилася до розміру нашої галактики. Ця неймовірна експансія розтягнула первісний «мікроскопічний» Всесвіт до космічних масштабів. Інфляція завершується, коли нестабільний вакуумний стан розпадається – енергія поля вивільняється і перетворюється на розігрітий бульйон з частинок і випромінювання[2]. Фактично, це і є народження звичного нам гарячого Всесвіту: інфляційна модель доповнює стандартний Великий вибух, додаючи до нього період роздування, після якого відбувається так званий пост-інфляційний розігрів (реогеніез) матерії. Далі Всесвіт розширюється вже повільніше згідно з класичною моделлю, поступово охолоджуючись.

Ілюстрація історії розширення Всесвіту. Під час інфляції крихітна область розтягується до астрономічних розмірів. Далі, протягом мільярдів років, розширення сповільнювалося під дією гравітації матерії. Через ~380 000 років після інфляції утворилися нейтральні атоми, і було випромінено космічний мікрохвильовий фон – «післясвітіння» гарячого молодого Всесвіту. (Це випромінювання і досі заповнює Всесвіт, охолонувши до ~2,7 K.) З часом матерія зібралася у перші зірки та галактики. Близько 5 млрд років тому розширення Всесвіту знову почало прискорюватися під впливом загадкової темної енергії, яка домінує на сучасній стадії.. Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=35336491

Важливий наслідок інфляційної моделі – пояснення походження галактик і великомасштабної структури Всесвіту. Перед інфляцією весь наш видимий Всесвіт був мікроскопічно малим, і в ньому неминуче існували квантові флуктуації – випадкові малі коливання щільності матерії. Коли простір стрімко розтягнувся, ці крихітні флуктуації розтягнулися разом з ним до космічних масштабів[2]. Інфляція ніби «заморозила» ці нерівномірності на величезних відстанях. Після завершення інфляційної епохи трішки густіші ділянки матерії почали під дією гравітації притягувати до себе більше речовини. За сотні мільйонів років з них утворилися перші зірки, галактики та скупчення галактик[2]. Отже, інфляція закладає “насіння” структури – дрібні квантові випадковості, роздуті до розмірів галактик. Цей приголомшливий зв’язок між мікросвітом і мегасвітом є одним з найбільших успіхів інфляційної теорії.

Спостережні підтвердження інфляції: дані WMAP і Planck

Інфляційна космологія виникла як теоретична гіпотеза, проте вона робить конкретні передбачення, які можна перевірити спостереженнями. За кілька десятиліть накопичено вражаючі докази на її підтримку, особливо завдяки всебічному вивченню космічного мікрохвильового фону. Супутники WMAP (NASA, 2001–2010) та Planck (ESA, 2009–2013) детально виміряли анізотропію КМФ – мікроскопічні коливання температури на рівні 0,001% від середнього значення. Результати цих місій виявилися надзвичайно узгодженими з інфляційною моделлю.

Карта всього неба, складена за 9-річними даними WMAP. Кольорами показано відхилення температури КМФ від середньої (≈2,725 K): червоніші ділянки на кілька десятитисячних часток тепліші, синіші – холодніші. Ця карта наочно демонструє майже ідеальну однорідність раннього Всесвіту, з мізерними флуктуаціями щільності. Саме ці флуктуації (порядку 10⁻⁵) після інфляції стали зародками галактик. Космологічна місія WMAP підтвердила, що Всесвіт на великих масштабах плаский (евклідовий) з похибкою меншою за 0,5%, як і передбачає інфляція (розширення розгладжує кривизну) Зображення: Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23285693

Також виявлено, що спектр первинних флуктуацій майже однаковий на різних ділянках неба і відповідає статистично гауссовому розподілу (так звані «дзвонові» криві розподілу температур)[4] – це означає, що нерівності виникли з квантових випадкових процесів, як і очікується при інфляції. WMAP зафіксував рівно стільки «гарячих» і «холодних» плям на карті КМФ, скільки й передбачалося – відхилення розподілені симетрично навколо середнього значення. Амплітуда флуктуацій залежить від масштабу: на більших кутових масштабах вона трохи більша, ніж на менших – саме такий нахил спектру і прогнозували найпростіші інфляційні моделі. У сукупності ці дані перетворили космологію з «описової» науки на точну: як жартують астрофізики, тепер ми знаємо чисельно вік, склад і кривину Всесвіту з високою точністю[4].

Особливо вражаючим підтвердженням стала пласкість Всесвіту. Вимірювання WMAP і Planck встановили, що сумарна густина енергії у космосі точно дорівнює критичній – звідси випливає геометрично плаский простір (Ωₜₒₜ ≈ 1,000)[4]. Без інфляції така рівновага виглядає чудом, адже найменше відхилення на ранніх стадіях призвело б сьогодні до сильно викривленого Всесвіту (позитивно чи негативно). Інфляційна теорія ще задовго до цих вимірювань наполягала, що Всесвіт має бути пласким – і ось, спостереження це підтвердили. Як відзначив Стівен Гокінг, «докази інфляції з місії WMAP – це найзахопливіший прогрес у фізиці за час моєї наукової кар’єри»[4].

Новаторський європейський телескоп Planck підвищив точність космологічних вимірювань до безпрецедентного рівня. У 2018 році було оприлюднено «наследдя Planck» – фінальний набір даних, що узагальнив усе побачене цією місією. Планк підтвердив основні висновки WMAP і ще більше звузив межі невизначеностей. Зокрема, було остаточно підтверджено “стандартну модель” Всесвіту, яка включає інфляційні початкові умови[5]. Космологи тепер із впевненістю стверджують, що наш Всесвіт містить ~5% звичайної баріонної матерії, ~27% темної матерії і ~68% темної енергії, а всі великомасштабні структури (галактики, скупчення) виросли з первинних флуктуацій, що виникли в результаті короткої інфляційної фази розширення[5]. Іншими словами, дані Planck чудово узгоджуються з теорією космічної інфляції.

Порівняння точності космологічних вимірювань WMAP і Planck. Зображення: Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25226768

Втім, науковці продовжують перевіряти інфляційну модель і шукають нові підтвердження. Одним із «Святих Граалів» є виявлення примордіальних гравітаційних хвиль – брижів простору-часу, породжених самим актом інфляційного розширення. Їх присутність можна вирахувати через специфічний поляризаційний візерунок у КМФ. Поки що експерименти (наприклад, BICEP2 у 2014 р.) не дали достовірного сигналу таких хвиль – це лише звузило можливі параметри інфляційних моделей. Але нові покоління приладів нарощують чутливість, і в найближчі роки ми, ймовірно, зможемо ще глибше заглянути у перші моменти існування Всесвіту. Незалежно від деталей конкретних моделей, інфляційна ідея вже стала невід’ємною частиною сучасної космології – саме вона пояснила, як ранній Всесвіт «домовився» бути таким дивовижно однаковим у всіх напрямках.

Використані джерела:

1. Вікіпедія : вільна енциклопедія [Електронний ресурс]. Проблема горизонту. — Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Проблема_горизонту 

2. NASA WMAP Science Team. What is the Inflation Theory? – WMAP Big Bang Cosmology webpage, NASA (останнє оновлення: 21 лютого 2024)wmap.gsfc.nasa.gov

3. Guth, A. H. Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems [Електронний ресурс] // Physical Review D. — 1981. — Vol. 23, № 2. — P. 347–356. — DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.23.347 

4. NASA / WMAP Science Team. WMAP results based on nine years of observations [Електронний ресурс] // Johns Hopkins Gazette. — Режим доступу: hub.jhu.edu

5. Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). New data from the Planck space mission give support to the current model of the universe [Електронний ресурс] // IAC Communication and Outreach. — Режим доступу: iac.es