Какой была Вселенная до горячей стадии

Физики-теоретики из Института ядерных исследований РАН построили модель ранней Вселенной без Большого взрыва. Соответствующий научный результат готовится к публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ученые сделали шаг вперед на пути к теоретическому описанию Вселенной с отскоком.

Группа физиков в составе академика Валерия Рубакова и молодых кандидатов наук Виктории Волковой и Сергея Миронова излагает взгляды на происходившее во Вселенной так: сегодня нам многое известно про Вселенную не только теоретически, но и с экспериментальной точки зрения. Благодаря современным астрономическим и астрофизическим наблюдениям мы с уверенностью можем говорить, что наша Вселенная сегодня расширяется медленно и имеет сравнительно небольшую температуру. В начале эволюции она расширялась очень быстро и была горячей, с температурой порядка одного миллиарда градусов, а может, и выше.

Более того, сегодня мы с уверенностью можем сказать, что эта «горячая стадия» в ранней Вселенной не была самой первой. Хотя Вселенная и считается однородной, на малых масштабах она все же такой не является: в ней есть, например, галактики и другие более крупные и мелкие структуры. Эти структуры во Вселенной появились благодаря так называемым первичным неоднородностям в веществе. Вообще, все, что есть во Вселенной, в некотором смысле «живое»; в любой среде есть небольшие отклонения от среднего фона — флуктуации. Первичные неоднородности и есть эти флуктуации, которые появились во Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции. Свойства этих первичных неоднородностей сегодня известны из наблюдательных данных о распределении и свойствах галактик, а также из наблюдений реликтового излучения. Реликтовое излучение — электромагнитное излучение, то есть фотоны, которые присутствовали во Вселенной в самые горячие эпохи, а с некоторого момента стали распространяться свободно, тем самым сохраняя на себе отпечаток среды, заполнявшей Вселенную при сравнительно высоких температурах.

Любопытно, что свойства первичных неоднородностей многое говорят об их происхождении, и здесь становится ясно, что эти неоднородности появились до горячей стадии, то есть был еще какой-то предшествующий этап. Что это за этап?

Существует несколько версий, что предшествовало горячей стадии. Одна из самых популярных гипотез — теория об инфляционном расширении. Предполагается, что во время инфляции Вселенная «раздувалась» с немыслимой скоростью, с микроскопических до гигантских размеров за доли секунды. Первичные возмущения в этой модели — это флуктуации вакуума, которые на этом этапе быстро росли и дорастали до нужной величины к моменту перехода на горячую стадию. У инфляционной модели есть свои характерные признаки — например, она предсказывает генерацию реликтовых гравитационных волн (это своего рода «рябь» в пространстве, возмущение геометрии). Реликтовые гравитационные волны пока не обнаружены, то есть наблюдательных данных сегодня не хватает, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию инфляции. Это дает свободу теоретикам рассматривать альтернативные сценарии и механизмы.

Один из таких альтернативных сценариев — Вселенная с отскоком. Эта модель предполагает, что еще намного раньше горячей стадии Вселенная была почти такая же, как сегодня, с небольшой плотностью заполняющего ее вещества, но с существенным отличием: она сжималась. Это сжатие продолжалось какое-то время, плотность вещества во Вселенной увеличивалась по мере сжатия, и в некоторый момент происходил отскок — остановка сжатия и начало расширения Вселенной с последующим выходом на стандартную горячую стадию. В такой модели с отскоком есть свои механизмы генерации первичных возмущений на стадии сжатия, и возмущения обладают необходимым набором базовых свойств, согласующихся с известными наблюдательными данными. В то же время предсказания моделей с отскоком отличаются от инфляционных в тонких деталях, которые пока экспериментально не проверены, но в будущем будут доступны проверке.

Привлекательная особенность модели с отскоком — отсутствие так называемого Большого взрыва, точки сингулярности, с которой начинается эволюция Вселенной в общепринятой на сегодня модели. Действительно, смена сжатия расширением может происходить, когда плотность вещества во Вселенной достигает достаточно больших, но все же конечных значений. Тем самым проблема начальной сингулярности в моделях с отскоком решается. Однако модели с отскоком имеют свои характерные сложности: такая нетривиальная динамика со сменой сжатия расширением возможна, если во Вселенной присутствует вещество с довольно экзотическими свойствами, которыми привычная и известная нам материя не обладает. Теоретики тем не менее придумали такую хитрую среду, которая подходит на роль этого экзотического вещества: эта среда взаимодействует с гравитационным полем не так, как обычная окружающая нас материя.

Но на этом трудности не закончились: чтобы сказать, что модель Вселенной с отскоком построена, необходимо убедиться, что решение гравитационных уравнений, которое описывает, как Вселенная сжимается, а потом расширяется, устойчиво. Устойчивость решения означает, что при небольшом отклонении от этого решения Вселенная не рушится, не взрывается и не схлопывается в сингулярность, а плавно возвращается к своей траектории развития и продолжает эволюционировать, как было задумано.

Тут можно представить себе шарик, скатывающийся по наклонному желобу, и шарик, скатывающийся по наклонному ребру. Первый шарик может без существенных последствий отклоняться в направлениях, перпендикулярных направлению его движения вдоль желоба. Напротив, для второго шарика даже малые отклонения вбок от направления его скатывания чреваты падением с ребра и уходом с исходной траектории движения.

Устойчивые модели Вселенной с отскоком, в которых решается проблема Большого взрыва, были предложены сравнительно недавно — в частности, коллективом Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). В таких моделях, как уже сказано, необходимо предположить, что Вселенная заполнена специфической средой — например, некоторым скалярным полем, чье взаимодействие с гравитацией не описывается Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Процедура построения модели предполагает решение полевых уравнений для выбранной теории и последующий анализ решения на предмет его соответствия искомой физической картине, а именно смене эпохи сжатия стадией расширения.

В статье, о которой идет речь, физики-теоретики Виктория Волкова, Сергей Миронов и Валерий Рубаков взяли построенную ими же устойчивую модель с отскоком и усложнили ее, добавив в экзотическую среду, заполняющую Вселенную и обеспечивающую отскок, дополнительную материю, но со стандартными свойствами. Такое усложнение — закономерный шаг, если ставить перед собой цель построить реалистичную модель Вселенной с отскоком, где, вообще говоря, одновременно присутствуют разные типы материи. Из предыдущей работы

А. Викмана, Д. Иссона и И. Савицкого (JCAP 07 (2013) 014) по этой теме было известно, что добавление стандартной материи в системы с упрощенной версией упомянутой выше экзотической среды приводит к возникновению волн в этой среде, которые распространяются со скоростями, превышающими скорость света. Это проблема, потому что в нормальной ситуации скоростей больше скорости света не бывает.

Что удивительно, результат исследований оказался ровно противоположным: при добавлении обычной материи в модель, о которой идет речь, никаких сверхсветовых сигналов не возникает. Для того чтобы выяснить это, было изучено поведение малых отклонений от решения с использованием стандартных методов теории возмущений. Разгадка заключается в различии тонких свойств экзотической среды, которая использовалась и в предыдущей, и в этой работе.

Не менее интересным выглядит и другой результат исследователей из ИЯИ РАН: если в систему добавить вещество, в котором волны распространяются со скоростью, равной или близкой к скорости света (такая материя — не экзотика), то в системе действительно появляются волны, распространяющиеся со скоростью выше скорости света. Причем этот результат не зависит от того, описывает модель отскок во Вселенной или нет; он справедлив для теорий с такой экзотической средой в общем случае. Данное обстоятельство вновь указывает, что в теориях с этой средой все устроено еще более хитро, чем предполагали ученые.

Этот результат может иметь далекоидущие последствия для данного класса теорий в целом и в частности для перспектив построить на их базе реалистичную и, что главное, жизнеспособную модель Вселенной без Большого взрыва.