имеющимися наблюдательными оценками содержания этих двух элементов. Другими словами, нуклеосинтез в процессе Большого взрыва замечательным образом объясняет наблюдаемый химический состав Вселенной, в отличие от модели стационарной Вселенной (а также модели Божественного творения).

Ну а что же у нас с дейтерием и плотностью Вселенной? При чем тут работа Пиблса? Дело в том, что ядра атомов гелия не формируются за один присест. Это происходит не в результате случайного одномоментного столкновения двух одиночных протонов и двух одиночных нейтронов. На самом деле процесс этот многоэтапный, и одним из важнейших этапов как раз является образование ядер дейтерия, о котором мы сейчас поговорим.

В отличие от ядра атома водорода, которое представляет собой просто один протон, ядро дейтерия (его иногда называют дейтоном) состоит из одного протона и одного нейтрона, удерживаемых вместе посредством сильного взаимодействия. Это тоже водород – принадлежность ядра конкретному химическому элементу определяется количеством протонов в ядре, но ядра дейтерия вдвое массивнее – отсюда его общепринятое название «тяжелый водород». Едва образовавшись, ядра дейтерия становятся участниками дальнейших ядерных реакций, которые в конце концов приводят к образованию гелия. Но на это остается мало времени – из-за вызванного расширением Вселенной быстрого падения температуры первичный нуклеосинтез прекращается и некоторое количество дейтерия остается неизрасходованным.

В своей статье, опубликованной в ноябре 1966 года в The Astrophysical Journal, Пиблс показал, что относительное содержание дейтерия во Вселенной очень сильно зависит от плотности ядерного (барионного) вещества в течение короткого периода нуклеосинтеза5. Чем выше эта плотность, тем эффективнее протекают ядерные реакции и тем меньше остается неизрасходованного дейтерия. А следствием низкой плотности в эту критическую эпоху будет большее содержание дейтерия. То же самое справедливо и для других редких атомных ядер, в том числе и гелия‑3, состоящего из двух протонов и одного нейтрона, но для дейтерия эта зависимость наиболее выражена.

Таким образом, определение современного содержания дейтерия во Вселенной дает возможность оценить плотность Вселенной в эпоху первичного нуклеосинтеза. А отсюда уже нетрудно рассчитать плотность барионного вещества в современной Вселенной после миллиардов лет ее расширения. Другими словами, если с высокой точностью определить содержание дейтерия, то на его основе можно оценить среднюю плотность «нормального» вещества, состоящего в основном из атомных ядер (барионов).

Через пять месяцев после опубликования расчетов Пиблса его результаты получили подтверждение в другой (причем гораздо более подробной) статье в том же журнале, написанной Робертом Вагонером и Вилли Фаулером из Калифорнийского технологического института в соавторстве с Хойлом, который, несмотря на свое все еще критическое отношение к теории Большого взрыва, внес в нее существенный вклад6. В январе 1973 года Вагонер, который тогда работал в Корнеллском университете, опубликовал результаты новых расчетов под названием «Пересмотр первичного нуклеосинтеза» (Big-Bang Nucleosynthesis Revisited)7. Казалось, что ученые действительно нашли решение сложных вопросов происхождения легких элементов в ходе первичного взрыва. Теперь для определения современной плотности барионного вещества во Вселенной осталось лишь измерить относительное содержание дейтерия.

Непосредственное измерение содержания дейтерия во Вселенной – очень трудная задача. Но тут на помощь пришли наблюдения из космоса. 21 августа 1972 года, через несколько месяцев после того, как я первый раз взглянул в телескоп на Сатурн, НАСА запустило третью орбитальную космическую обсерваторию (Orbiting Astronomical Observatory, или OAO‑3) под названием «Коперник» – в честь польского астронома в связи с приближавшимся 500-летием со дня его рождения в начале 1973 года. Один из инструментов этой обсерватории представлял собой 80-сантиметровый ультрафиолетовый телескоп со спектрографом, разработанный в Принстонском университете. В детальных ультрафиолетовых спектрах ярких звезд (которые невозможно получить с помощью наземных инструментов) видны межзвездные линии поглощения как водорода, так и дейтерия: эти атомы поглощают ультрафиолетовое излучение на некоторых длинах волн. Относительное содержание дейтерия можно рассчитать по соотношению величины поглощения в линиях дейтерия и водорода.

Техники проверяют 81-сантиметровое зеркало телескопа для спутника НАСА «Коперник». На момент его запуска в 1972 году это был крупнейший космический телескоп

В декабре 1973 года коллеги Пиблса по Принстонскому университету Джон Роджерсон и Дональд Йорк опубликовали в The Astrophysical Journal результаты первых наблюдений на телескопе «Коперник» яркой южной звезды Агена (бета Центавра)8. Оказалось, что в межзвездном пространстве на 70 000 ядер водорода приходится одно ядро дейтерия. Это все, что осталось после ядерных реакций в новорожденной Вселенной. Отсюда можно рассчитать количество барионного вещества во Вселенной, состоящего в основном из атомных ядер.

Результаты последних расчетов Вагонера, Роджерсона и Йорка дали для средней барионной плотности Вселенной оценку 1,5 × 10–31 граммов на кубический сантиметр. Практически такой же результат был получен в статье 1976 года на основе ультрафиолетовых наблюдений еще четырех звезд (среди которых была Спика – ярчайшая звезда зодиакального созвездия Дева)9. Наконец-то астрономы получили надежную оценку общего количества «нормального» вещества во Вселенной. И последствия этого результата для наших представлений о темной материи оказались катастрофическими.

Конечно же, когда они писали свою статью 1974 года «Размеры и массы галактик и масса Вселенной» (The Size and Mass of Galaxies, and the Mass of the Universe), Пиблс, Острайкер и Яхил уже знали о полученных с помощью телескопа «Коперник» результатах. Как вы, может быть, еще помните из главы 4, их оценка среднего значения отношения массы к светимости галактик основывалась на множестве динамических наблюдений и соображений. После этого они оценили число галактик в заданном объеме пространства и исходя из этого рассчитали среднюю плотность Вселенной, получив значение около 2×10–30 граммов на кубический сантиметр, что примерно в 13 раз больше результата Роджерсона и Йорка.

Если современная плотность Вселенной действительно намного выше оценки Роджерсона и Йорка, то, значит, плотность в эпоху первичного нуклеосинтеза тоже должна была быть намного выше, а содержание дейтерия – намного меньше того, что получилось по данным наблюдений телескопа «Коперник».

Разве что…

Опять все сначала. Разве что бо́льшая часть массы Вселенной сосредоточена не в барионах. Содержание дейтерия говорит лишь о средней плотности вещества, которое имеет форму атомных ядер – кирпичиков, из которых состоит «нормальная» материя, участвующая в ядерных реакциях. А что, если во Вселенной много ненормальной материи? Материи, состоящей не из атомных ядер? Небарионной материи? Эта гипотеза могла бы объяснить динамические наблюдения и при этом не противоречила бы данным измерений содержания дейтерия.

Шаг, конечно, смелый и решительный, и Острайкер, Пиблс и Яхил не спешили с выводами. Быть может, недостающее количество дейтерия могло синтезироваться через миллиарды лет после Большого взрыва в ходе какого-то иного процесса, хотя до сих пор никто