О древнем свете, как всегда, интересно и ярко рассуждает гарвардский физик профессов Ави Лёб
Всем нам знаком космический микроволновый фон — реликтовое излучение, оставшееся от горячей, плотной фазы ранней Вселенной. Этот древний свет был испущен через 400 000 лет после Большого взрыва. Но существовал ли в то время какой-либо космический звук?
Да, существовал.
В первые 50 000 лет после Большого взрыва излучение доминировало в космическом энергетическом балансе. Излучение находилось в идеальном тепловом равноверии с обычной материей, но характеризовалось крошечными возмущениями на уровне части на 100 000. Эти возмущения распространялись в виде звуковых волн. Мы наблюдаем их на небе как флуктуации яркости космического микроволнового фона.
Чтобы понять их закономерности на небе, представьте себе точечный динамик, который начал издавать звуки вскоре после Большого взрыва. Поскольку динамик окружен радиационной жидкостью, его звук будет распространяться на расстояние, равное скорости звука в этой жидкости, умноженной на возраст Вселенной.
Для радиационной жидкости скорость звука равна скорости света, c, деленной на квадратный корень из 3. Это происходит потому, что звуковая волна переносит повышенное давление тепловых фотонов, которые движутся случайным образом в трех измерениях. В результате давление — которое определяется как поток импульса фотонов вдоль любого конкретного направления, — равно 1/3 их плотности энергии. Давление также можно выразить как произведение плотности массы на квадрат скорости звука. Поскольку E=Mc², скорость звука в жидкости, в которой преобладает излучение, составляет 0,58c.
В любой момент времени t после Большого взрыва звук из динамика заполняет сферу вокруг него радиусом 0,58ct. Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва температура космического «супа» частиц упала ниже 4000 градусов Кельвина в результате космического расширения. Это охлаждение позволило электронам и протонам объединиться в атомы водорода, удалив космический туман свободных электронов, который делал Вселенную непрозрачной в более ранние времена. В это время космическое микроволновое фоновое излучение рассеивалось в последний раз и несёт в себе отпечаток этих акустических сфер.
Для ансамбля космических источников флуктуации яркости космического излучения должны быть коррелированы в сфере, окружающей каждый источник. Радиус каждой сферы равен звуковому горизонту, который составлял примерно 0,58 × 400 000 световых лет, когда Вселенная стала прозрачной для излучения. Этот акустический масштаб можно использовать в качестве мерила для измерения геометрии Вселенной. Он отпечатывается на картах неба космического микроволнового фона, а также в распределении материи, как это отслеживается галактиками в современной Вселенной, образуя так называемые «барионные акустические колебания».
Художники могут воспринимать эти космические акустические сигналы как «Музыку сфер». Эта концепция Musica Universalis зародилась в Древней Греции у Пифагора, который предположил, что движения небесных тел, таких как Солнце, Луна и планеты, создают своего рода универсальную музыку. Теория о том, что пропорции в космосе являются математическими и музыкальными, предполагала, что, хотя они и неслышимы для человеческого уха, они представляют собой «божественную гармонию». Эта идея повлияла на таких философов, как Платон или Аристотель, и на астрономов, таких как Иоганнес Кеплер, который пытался сопоставить орбиты планет с музыкальными гаммами в своей книге «Harmonice Mundi».
В этом эссе я представляю четыре потрясающие акварели из серии «Небесные сферы», созданные выдающимся художником Грегом Уайаттом. Эти акварели содержат вдохновляющие высказывания Цицерона и Джона Мильтона. Это первое эссе из серии, в которой мы с Грегом сотрудничаем на стыке искусства и науки. Сегодня я сказал Грегу, что для меня большая честь иметь его в качестве проводника в мир искусства.
Малоизвестный факт, связанный с космической акустикой, заключается в том, что мы бы не существовали, если бы Вселенная состояла только из излучения и обычной материи — тех самых компонентов, о которых говорилось в космической симфонии. Когда эти составляющие отделились через 400 000 лет после Большого взрыва, диффузия излучения сгладила все первоначальные неоднородности обычной материи в пространственных масштабах, намного превышающих галактики. Оставшись в этом гладком состоянии, обычная материя никогда бы не собралась в галактики, подобные Млечному Пути, внутри которых формируются звезды, подобные Солнцу, вокруг которых появляются планеты, подобные Земле, на поверхности которых могла бы существовать жизнь.
Причина, по которой эта последовательность событий действительно произошла — обеспечив наше существование 13,8 миллиарда лет спустя, — заключается в незамеченном герое: темной материи. Эта невидимая материя сохранила память о первоначальных неоднородностях в масштабах галактик, потому что она не взаимодействует с излучением. Конденсация темной материи в нашем космическом окружении привела к формированию галактики Млечный Путь, в которую обычная материя притягивалась гравитационно, создавая необходимые условия для нашего существования.
Было бы уместно объявить официальный «Космический День благодарения», в который мы выражаем свою экзистенциальную благодарность темной материи. К сожалению, мы пока не знаем, что она из себя представляет, поскольку всё, что мы обнаружили до сих пор вблизи Земли, состоит из обычной материи. Иногда невидимые факторы формируют нашу историю происхождения больше, чем видимые.
© Перевод с английского Александра Жабского.