фона была представлена публике 21 марта 2013 года на пресс-конференции в штаб-квартире Европейского космического агентства в Париже, но для окончательного анализа этих данных ученым потребовалось еще целых пять лет. Результаты были опубликованы 17 июля 2018 года в серии из 12 статей в журнале Astronomy & Astrophysics3. По словам члена научной группы проекта Яна Таубера, «это самое важное наследие “Планка”. Стандартная космологическая модель до сих пор выдержала все проверки, а “Планк” выполнил измерения, которые продемонстрировали ее справедливость».

Это было очень серьезное утверждение. Таубер фактически сказал, что все более точные измерения реликтового излучения свидетельствуют о том, что мы живем в плоской Вселенной в полном соответствии с выдвинутой Аланом Гутом в 1979 году инфляционной гипотезой, о которой шла речь в главе 15. Данные измерений также подтвердили существование темной энергии.

Мельчайшие вариации температуры реликтового излучения несут информацию о крошечных флуктуациях плотности в очень ранней Вселенной спустя всего 380 000 лет после Большого взрыва

Что же «младенческая фотография» Вселенной может рассказать нам о ее составе и эволюции? Все дело в тесной связи барионной материи с излучением в первые 380 000 лет истории Вселенной. Вскоре после Большого взрыва горячая первичная плазма не была идеально однородной, возможно, из-за начальных квантовых флуктуаций, которые буквально «раздулись» до макроскопических размеров в результате экспоненциального расширения в фазе инфляции. Из-за этого новорожденная Вселенная оказалась «усеяна» небольшими областями со слегка повышенной плотностью: там было больше протонов, нейтронов и электронов («нормальной» материи), а также больше частиц темной материи. И пока частицы темной материи реагировали только на силу гравитации, барионная плазма также сильно взаимодействовала с вездесущими высокоэнергичными фотонами.

Из-за гравитации область повышенной плотности стремится еще больше сжаться и тем самым оказывается еще плотнее. Но с повышением плотности увеличивается также и давление излучения, и от этого «сгусток» не сжимается, а, наоборот, расширяется – это касается как минимум барионов. В результате в барионно-фотонной среде ранней Вселенной распространяется продольная волна из чередующихся областей повышенной и пониженной плотности, очень напоминающая звуковую (акустическую) волну в воздухе, только с намного большей длиной. А центральное уплотнение темной материи при этом остается там же и никуда не девается.

Если бы в ранней Вселенной была всего одна аномалия плотности, то ее легко можно было бы распознать по порождаемой ею картине акустических волн. Но в реальности мы имеем какофонию акустических волн разной длины и амплитуды, которые носятся по расширяющейся космической плазме во всех направлениях со скоростью, достигающей почти 60 % скорости света. Если вы любитель поэтических метафор, то можете назвать это воплями новорожденной Вселенной.

Это первородное «пение» продолжалось, пока барионы и фотоны оставались сильно связанными друг с другом. Но после прекращения сильного взаимовлияния между материей и излучением примерно через 380 000 лет после рождения Вселенной барионные акустические осцилляции резко затихли. С этого момента фотоны стали свободно перемещаться по Вселенной – это тот самый микроволновой реликтовый фон – а трехмерное распределение барионов оказалось заданным структурой чередующихся областей повышенной и пониженной плотности – «стоп-кадром» «винегрета» акустических осцилляций.

«Крапчатая» структура распределения температуры реликтового излучения напрямую связана с этим первичным распределением плотности. Поэтому карта распределения микроволнового фона может служить источником информации для исследования этих так называемых барионных акустических осцилляций. Процесс чем-то напоминает распознавание звуков на фоне шума путем детального изучения снимков барабанной перепонки с короткой экспозицией. Барабанная перепонка одновременно вибрирует на многих частотах с разными амплитудами, но из сложной картины стоп-кадров этих осцилляций можно выделить отдельные звуковые волны. Точно так же из детального анализа распределения реликтового излучения можно получить информацию об амплитудах (мощности) многочисленных составляющих его волн в зависимости от длины волны. Получаемый в результате график называется спектром мощности реликтового излучения.

Точная картина осцилляций во Вселенной, когда ей было 380 000 лет – то есть когда фоновое реликтовое излучение освободилось от материи, – определяется на удивление малым числом переменных. Наиболее важные из них – это плотность барионов, плотность небарионных частиц и так называемый звуковой горизонт: расстояние, на которое успела уйти звуковая волна в расширяющейся плазме до разделения материи и излучения. Оказалось, что даже относительно небольшое изменение одной из этих переменных сказывается на точной форме спектра мощности реликтового излучения. Обратив соответствующие уравнения, можно вычислить барионную плотность и плотность темной материи, а также звуковой горизонт в момент разделения материи и излучения.

Неудивительно, что мощность волн оказывается тесно связана со звуковым горизонтом. То же самое наблюдается и для органных труб: длина трубы (расстояние, которое может пройти звуковая волна) определяет, на каких длинах волн достигаются наибольшие амплитуды, – вспомним упомянутый в начале книги пример, когда Пиблс извлекал два совершенно разных звука, если дул над горлышками пластиковых бутылок разного размера. Конечно, органные трубы не расширяются и гравитация не играет никакой роли в процессе исполнения концерта Баха, но принцип остается тем же самым: для каждого размера есть соответствующие ему предпочтительные частоты – присущий ему набор из основного тона и соответствующих обертонов.

Теперь все становится интереснее. Звуковой горизонт 450 000 световых лет – это расстояние, пройденное барионными акустическими осцилляциями за 380 000 лет. (Здесь нет никакого противоречия: осцилляции распространяются со скоростью, равной почти 60 % процентам скорости света, но благодаря расширению Вселенной они в конце концов оказываются почти в два раза дальше от исходной точки, чем это было бы в стационарной Вселенной.) Поэтому, когда осцилляции прекращаются, каждое уплотнение в новорожденной Вселенной оказывается окруженным сферической оболочкой радиусом 450 000 световых лет с повышенной по сравнению со средней плотностью.

Этот радиус проявляется в виде преобладающего расстояния на карте горячих и холодных пятен в распределении реликтового излучения, которое тесно связано с первым пиком в спектре мощности этого излучения. Из-за наличия в первичной плазме многих взаимно накладывающихся волн плотности картина анизотропии температуры на первый взгляд кажется случайной, но если измерить взаимные расстояния между каждой парой пятен по всему небу, то выявляется определенная закономерность: число пар со взаимным расстоянием 450 000 световых лет значительно больше ожидаемого при случайном распределении.

И тут мы подходим к доказательству того, что Вселенная плоская. Когда астрономы изучают статистическое распределение горячих и холодных участков реликтового излучения, они измеряют расстояния между ними не в световых годах, а в углах на небесной сфере. И оказалось, что предпочтительное угловое расстояние составляет около одного градуса. Оно должно соответствовать предпочтительному физическому (линейному) расстоянию в 450 000 световых лет (напомню, что фотоны реликтового излучения пришли очень издалека – их путь к Земле занял около 13,8 миллиарда лет, –