холодной темной материи, казалось мелочью. «Они просто волшебники», – сказал астрофизик Ричард Готт, который рецензировал статью в Nature.

А волшебники продолжили свое дело. Они опубликовали еще три статьи в 1987 и 1988 годах – две в The Astrophysical Journal и одну в Nature, – в которых представили дальнейшее развитие своих прежних работ7. Эти пять судьбоносных публикаций «Банды четырех» – известные под общим названием «статьи DEFW», по первым буквам фамилий авторов (Davis, Efstathiou, Frenk и White) – уверенно вывели холодную темную материю на роль единственного возможного основного компонента Вселенной. Казалось, что холодная темная материя способна объяснить буквально все. Но оставался очень существенный вопрос: сколько же темной материи в нашей Вселенной? В подавляющем большинстве своих первоначальных модельных расчетов компьютерные чародеи полагали суммарную плотность материи равной критической плотности, при которой расширение Вселенной когда-то прекратится, но не сменится сжатием. Поскольку средняя плотность порожденной нуклеосинтезом Большого взрыва барионной материи составляет всего 5 % от критической, то оставшиеся 95 % должны быть в виде небарионной холодной темной материи – а это уж слишком огромный дисбаланс, гораздо больше того, что можно ожидать исходя из динамики галактик.

Четверо астрономов пришли к выводу, что Вселенная с плотностью, равной критической, – это просто «эстетически привлекательная идея». (Мы вернемся к этому вопросу в главе 15.) У природы, конечно же, нет никаких причин удовлетворять эстетические потребности людей, а раз так, то что, если суммарная плотность материи во Вселенной намного меньше критической и гораздо ближе к оценкам, полученным ранее Острайкером, Пиблсом и Яхилом, а также Готтом, Ганном, Шраммом и Тинсли, Фабер и Галлахером?

Ведь Уайт и Френк вместе с Хулио Наварро и Огастом Эврардом пришли в 1993 году к выводу, что либо мы не понимаем процесс нуклеосинтеза при Большом взрыве, либо плотность Вселенной не может быть равна критической. В своей статье в Nature они обосновывают это очень просто8. Они вернулись к скоплению галактик в созвездии Волосы Вероники (предмет статьи Фрица Цвикки 1933 года, на которую практически никто не ссылался) и сначала оценили полную динамическую массу скопления на основе скоростей его галактик – именно этот метод использовал в свое время Цвикки. Потом они оценили барионную массу с учетом не только видимых галактик – то есть звезд и туманностей, – но и огромного количества невероятно горячего межгалактического газа, обнаруженного с помощью рентгеновских телескопов. Авторы сравнили две полученные оценки массы и получили, что барионная масса скопления Галактик в созвездии Волосы Вероники составляет около одной шестой части общей массы. Аналогичные оценки были получены и для других скоплений галактик.

Но если, как это следует из расчетов нуклеосинтеза в процессе Большого взрыва, средняя плотность барионной материи составляет всего лишь 5 % от критической плотности, а средняя плотность Вселенной действительно равна критической, то небарионной материи должно быть не в 6, а в 19 раз больше барионной, представленной в виде «нормальных» атомов. А учитывая современные представления о процессе образования скоплений галактик в расширяющейся Вселенной (основанные на компьютерных модельных расчетах вроде тех, которые первой выполнила «Банда четырех»), доля барионной материи в них никак не может оказаться в три раза выше средней по Вселенной. Другими словами, большая доля барионной материи в скоплениях вроде скопления галактик в созвездии Волосы Вероники должна быть равна среднему значению по Вселенной и, следовательно, Вселенная не может иметь критическую плотность.

После того, как в 1998 году было открыто ускорение расширения Вселенной, которое считается вызванным другой таинственной субстанцией – так называемой темной энергией, о которой пойдет речь в главе 15, стало ясно, что суммарная плотность Вселенной намного меньше критической и составляет около 27 % от ее значения. С тех пор во всех компьютерных модельных расчетах роста структуры Вселенной используется именно это значение плотности гравитирующей материи и учитывается вклад темной энергии. Благодаря невероятному увеличению мощности компьютеров эти расчеты, конечно же, гораздо детальнее тех, что в свое время выполнялись «Бандой четырех», и хорошее согласие между результатами современных расчетов и наблюдениями реальной Вселенной очень способствовало всеобщему признанию так называемой конкордантной космологической модели.

Чтобы вы получили представление о достигнутом с начала 1980-х годов прогрессе, давайте взглянем на эпохальный проект компьютерного моделирования «Миллениум» (Millennium Simulation) – эти расчеты были выполнены в 2005 году учеными из так называемого Консорциума Девы (Virgo Consortium)9. Руководителем этого проекта, известного также под названием Millennium Run, был Фолкер Шпрингель из Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге (Германия). Среди соавторов первой статьи с результатами расчетов «Миллениума» – Уайт (научный руководитель Шпрингеля), Френк, Наварро и Эврард10. В отличие от первых модельных расчетов Уайта с Френком, где было всего лишь 32 768 пробных частиц, расположенных в кубической решетке размером 32 × 32 × 32, в расчетах проекта «Миллениум» отслеживалось гравитационное взаимодействие более 10 миллиардов пробных частиц (2160 × 2160 × 2160). И выполнялись эти расчеты не на компьютере VAX с объемом оперативной памяти всего 16 мегабайт, а на суперкомпьютере «Регатта» фирмы «Ай-Би-Эм» (IBM Regatta) с одним терабайтом оперативной памяти (1 терабайт – это примерно миллион мегабайт). При скорости 200 миллиардов операций с плавающей запятой в секунду на выполнение расчетов этот монстр затратил 28 суток – целых 343 000 часов процессорного времени. В результате было получено 27 терабайт данных, которые все предоставлены в распоряжение научного сообщества.

Подобно первым расчетам «Банды четырех», в модели «Миллениум» учитывалось только скучивание темной материи, что сравнительно несложно, потому что приходится учитывать одну лишь гравитацию. Ну а что же с барионной материей? Каким образом каркас из небарионной темной материи обрастает привычными нам атомами? Это намного более сложный вопрос, потому что на атомные ядра (а также на электроны) действует не только гравитация, но также излучение, сопротивление газа, магнитогидродинамические эффекты и т. д. К тому же барионная материя взаимодействует со светом и поэтому может нагреваться и остывать за счет поглощения и излучения.

Совсем недавно астрономам удалось выполнить невероятно громоздкие модельные вычисления, учитывающие все эти факторы. Благодаря разнообразным математическим ухищрениям они теперь умеют моделировать очень сложные процессы вроде охлаждающихся потоков, порожденных взрывами массивных звезд (сверхновых) галактических ветров, а также высокоэнергичных явлений в сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.

В конце 2014 и начале 2015 года две конкурирующие группы опубликовали результаты таких модельных расчетов с учетом эволюции как небарионной, так и барионной материи. Обе эти модели – Illustris и EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments) – представляют собой умопомрачительное турне по пространству-времени начиная с самых первых возмущений плотности в ранней Вселенной и заканчивая