Космічні струни: таємничі «насіння» Всесвіту

Надзвичайно важкі й тонкі, як волосина, джгути дивовижної за своїми властивостями речовини — космічні струни. Вчені вважають, що в історії Всесвіту вони відігравали роль «насіння», з якого розвинулися галактики та їхні гігантські ниткоподібні скупчення. Хто розкидав це «насіння»? Чи збереглися вони до наших днів, і чи варто шукати їх у космосі? І взагалі, наскільки можна вірити космологічним моделям, чи не помиляються вчені, пророкуючи такі «дивовижі» в космосі?

Щоб пов’язати між собою експериментальні дані щодо великомасштабної структури Всесвіту, доводиться припускати існування «космічних струн» з дивовижними, можна сказати, навіть суперечливими властивостями — вони мають бути тонкими і водночас надзвичайно важкими та надзвичайно стійкими утвореннями. Чи можуть існувати в природі такі об’єкти, і як вони утворилися в бурхливому океані розпеченої первісної плазми?

Відповідь на ці запитання, як це часто буває сьогодні, прийшла з протилежного краю науки — з фізики мікросвіту. Утім, це не дивно, оскільки в надрах матерії вчені зустрічаються з такими ж колосальними густинами й енергіями, як і в горні «первинного вибуху». Космос і мікросвіт — найбільше й найменше — тут зливаються воєдино. Недарма кажуть, що протилежності сходяться!

Кілька десятків років тому, досліджуючи взаємодії елементарних частинок на прискорювачах, фізики дійшли висновку, що за дуже високих енергій, якраз таких, які були в перші миті «первинного вибуху», в речовині діє єдина універсальна сила, а гравітація, електромагнетизм та інші відомі нам типи взаємодій — її різні прояви, подібно до того, як, наприклад, електрика і магнетизм є двома специфічними проявами єдиного електромагнітного силового поля. Образно кажучи, гравітація та інші типи сил — це низькоенергетичні «хвости» універсальної сили, на які вона розщеплюється в процесі остигання Всесвіту.

Розрахунки свідчать, що першим відщепилося гравітаційне поле. Цей катаклізм, що змінив вигляд Всесвіту, стався ще в перші миті його життя. Сліди тих давніх подій значною мірою стерлися, і сьогодні їх виявити дуже важко — більша їхня частина поки що за межами експериментальних можливостей.

Наступний катаклізм вибухнув, коли відщепилася компонента універсальної сили, відповідальна за взаємодії, що розігруються всередині атомних ядер. Це сталося, коли Всесвіт роздувся вже до вельми великих розмірів (У «ранньому дитинстві» він, як і ми, ріс незрівнянно швидше, ніж сьогодні!) Його віддалені області вже не встигали обмінюватися взаємодіями, і процес відщеплення в кожній із них відбувався по-своєму — незалежно одна від одної.

Це схоже на те, як років зо двісті тому розвивалися події у віддалених районах, коли не було ні телефону, ні інтернету, на обмін інформацією йшли тижні, і тому те, що відбувалося протягом тижня в одному районі, абсолютно не позначалося на подіях, які протікали в цей час в інших. Говорячи науковою мовою, ці події залишалися причинно не пов’язаними. Зате на стиках віддалених районів, у прикордонних областях, жителям доводилося вирішувати, який хід подій, якщо вони були різними, слід обрати для себе.

Подібним чином виникала невизначеність у причинно не пов’язаних областях в остигаючому Всесвіті. На їхніх стиках природа теж «не знала», який спосіб розщеплення слід їй обрати, і, так би мовити, застигала в розгубленості — як той легендарний бурідів осел, який помер від голоду, так і не вирішивши, яку з двох однакових оберемків сіна, ліву чи праву, слід йому їсти першою.

Щоб читач міг усе це наочніше собі уявити, наведемо ще кілька простих прикладів. Перший — коли змінюється температура в горах і з їхніх вершин сходять снігові лавини. З різних боків вони сходять незалежно, і, якщо це відбувається одночасно, на вершині залишається шапочка снігу, яка «не встигла подумати», куди їй скотитися. Другий приклад — затвердіння розплавленої речовини. Якщо за великого збільшення подивитися на поверхню бруска, що затвердів, то там теж можна розрізнити області, де кристалізація відбувалася по-різному, а в проміжках залишився тонкий шар речовини зі зруйнованою кристалічною решіткою.

Ось так було і під час охолодження Всесвіту. У ньому теж залишилися прикордонні стінки та джгути-струни, що складаються з «первісної речовини з взаємодією, що не розщепилася. Утім, правильніше було б сказати — з «високонапруженого однорідного вакуумного поля», яким був тоді простір.

Порівняно з сучасним, він мав би вигляд надзвичайно щільного, дуже важкого середовища, і незважаючи на те, що стінки та струни із запаяним у них «первісним вакуумом» були неймовірно тонкими — щось близько 10⁻²⁸ сантиметра (це в стільки ж разів менше за сантиметр, у скільки він сам менший за радіус видимої нами частини Всесвіту), їхня маса була колосальною. Крихітний шматочок плівки «консервованого вакууму» важив більше, ніж ціла галактика.

Катастрофи бувають різного масштабу — виверження вулканів, цунамі, землетруси. Але уявіть собі «кристалізацію» відразу всього простору. Вселенський катаклізм, унаслідок якого світ стає зовсім іншим, а останки старого світу плавають у вигляді важких і дуже тонких плівок і ниток.

Що було далі?

А далі сталося ось що. Під дією гравітаційного тяжіння в прикордонних стінках одразу ж виникли величезні сили поверхневого натягу, які за лічені миті розірвали їх на частини, ті ж, своєю чергою, теж майже миттєво стягнулися, утворивши «чорні діри».

Письменники-фантасти, які пишуть космічні одіссеї, можуть бути спокійні — їхнім казковим зорельотам не загрожує врізатися в реліктову стінку консервованої праречовини. Усі такі стінки давним-давно розпалися!

Інша доля випала на частину космічних струн. Вага запаяної в них праречовини теж величезна. Десять погонних метрів такої тонюсенької струнки з діаметром 10⁻²⁸ сантиметра потягнули б на наших вагах стільки ж, скільки й наша сусідка Місяць. Дуже багато, але все ж таки майже на тридцять порядків менше, ніж шматочок стінки. І струни вижили — встояли. Гравітація не змогла розірвати їх на шматки й перетворити на «чорні діри».

Волокна законсервованої в струнах надважкої праречовини, як павутинні нитки, пронизували гарячу речовину юного Всесвіту своїм сильним гравітаційним полем. Одні їхні частини притягували та розганяли інші. Струни звивалися і рухалися. Якщо послідовно, як у кіно, розглядати картини руху такої струни, що малює комп’ютер, то він дуже нагадує поведінку розлюченої змії, що звивається в кільця в цистерні з водою.

Унаслідок взаємодій своїх пересічних частин і зіткнень із зустрічними струнами відбувалися численні розриви. Дочірні струни своєю чергою розривалися самі й дробили зустрічні. Крім того, розганяючись і стикаючись, струни випускали потужні гравітаційні хвилі. Останнє схоже на те, як електрони, що розганяються в рентгенівській трубці, стикаючись з речовиною екрана, народжують пучок жорстких електромагнітних променів. Випускаючи гравітаційні хвилі, струни «худнули» і поступово танули.

Загалом, гравітаційні хвилі, як каже теорія Ейнштейна, випускають усі оточуючі нас тіла, тільки їхня інтенсивність украй мала, їх не вдається помітити навіть за допомогою найчутливіших приладів. Інша справа — дуже важкі тіла з величезними прискореннями. Тоді випромінювання стає дуже сильним і забирає значну частину їхньої маси.

Унаслідок цих процесів зникли всі дуже довгі струни, а багато коротких «розтанули». Їхні залишки розкидані по космосу. Зате ті, що залишилися, зробили вирішальний вплив на долі нашого світу. Зрештою, саме їм зобов’язані своєю появою і життя, і розум.

Галактичні материки Всесвіту

Коли юний Всесвіт став менш палким, а це сталося з ним у віці приблизно десяти тисяч років, і швидкості частинок ядерної плазми, що його заповнювала, вже не могли протистояти невблаганному гравітаційному тяжінню струн, що ще не розтанули, почалася конденсація речовини. Навколо невеликих струн утворювалися групи з кількох галактик, навколо тих, що більші, — їхні великі скупчення. І чим більше збиралося речовини, тим сильнішими ставали сили, що стягують її. Всесвіт вступив у пору зрілості.

Першим такий сценарій еволюції Всесвіту запропонував Я. Б. Зельдович. Можна лише дивуватися, скільки фізичних ідей належить цьому вченому! У теорії вибуху, в галузі елементарних частинок, в астрофізиці та космології. Не всі вони підтвердилися на досвіді, але завжди були дотепними й викликали суперечки та обговорення.

Кажуть, що вчені діляться на класиків і романтиків. Перші рідко пишуть статті й книги, але все, написане ними, входить до підручників. Романтики, навпаки, дуже товариські, вони обговорюють усі нові факти і явища. Іноді їх називають генераторами ідей. Вони буквально випромінюють їх, і хоча не всі їхні гіпотези виявляються вірними на сто відсотків, наука без таких людей була б нудною і сірою. Я. Б. Зельдович належить до їхнього числа.

Його ідея струн-насіння «космічного городу» (це теж його термін!) була несподіваною і дотепною. Розрахунки на комп’ютері (їх виконали, в основному, американські вчені) показали, що з її допомогою можна, дійсно, пов’язати між собою всі відомі астрономічні дані щодо великомасштабної структури Всесвіту. Зокрема, використовуючи лише кілька «підгінних параметрів», що стосуються властивостей «первісного вакууму», таким шляхом вдається правильно пояснити як форму надскупчень, так і розподіл їх за кількістю галактичних островів-скупчень, що містяться в них.

Цікаво, що відстані між скупченнями, їхня просторова кореляція, як кажуть астрономи, теж має на собі сліди їхнього «струнного походження». Якщо побудувати графік, у якому по осі «іксів» відкладається величина відстані між двома скупченнями, а по осі «ігреків» — кількість пар скупчень з такими відстанями, то зрозуміло, що за випадкового, некорельованого народження галактик цей графік буде зовсім не таким, як коли вони народжуються навколо космічних струн. Те, що спостерігають астрономи, відповідає другому випадку.

Щоправда, якщо розглядати не самі скупчення, а окремі галактики в них, тобто спуститися на один поверх нижче, то сліди їхнього струнного походження менш помітні. Мабуть, це пов’язано з тим, що — на відміну від дуже далеко розташованих одна від одної і тому слабо пов’язаних гравітаційними полями скупчень — на галактики сильніше діє їхнє взаємне тяжіння, яке за багатомільярдну історію Всесвіту встигло помітно спотворити картину початкового розташування галактик у просторі.

Надпровідність у космосі

Не дарма кажуть, що щастя ніколи не буває повним. Поки вчені з задоволенням потирали руки, вважаючи, що, нарешті, вдалося пояснити будову світу, природа піднесла їм нову загадку. Аналіз скупчень галактик, виконаний астрофізиками Гарвардського університету, виявив численні великомасштабні порушення ниткоподібної структури. У деяких місцях нитки виявляються розірваними гігантськими, в сотні мільйонів світлових років, вільними від речовини «бульбашками». Скупчення галактик спостерігаються лише на їхніх поверхнях, усередині ж видимої, тобто випромінюючої світло речовини — в сотні разів менше. І подібних випадків доволі багато. Вони якраз і створюють пористу «надструктуру».

Теорія струн свідчить, що ниткоподібні ланцюжки галактик мають розташовуватися одна від одної в середньому на відстанях у кілька десятків мільйонів світлових років, тоді як бульбашки-комірки, принаймні, разів у десять більші. А найважливіше спостереження — галактики на поверхнях «бульбашок» розлітаються від їхніх центрів зі швидкостями, що дорівнюють тисячам кілометрів на секунду.

Спостережувана картина підказує думку про те, що в багатьох місцях Всесвіту сталися якісь таємничі, надзвичайно потужні вибухи, що розкидали галактики далеко в сторони й утворили гігантські темні «бульбашки». Пояснити все це одними космічними струнами неможливо.

Що ж там сталося? Що породило жахливі вибухи? Відповіді на ці запитання поки що немає. Тільки гіпотези.

Одна з них припускає, що вибухи викликало електромагнітне випромінювання, що скупчувалося, — своєрідний газ хвиль фотонів. Річ у тім, що космічні струни, як ми вже знаємо, складаються з однорідної «правакуумної речовини». На всьому протязі їхні властивості абсолютно однакові, тому випадково захоплені ними з навколишньої плазми заряджені частинки (а розпечений юний Всесвіт був саме такою плазмою) будуть рухатися по струні без жодного опору — як у надпровіднику. Цим частинкам там просто нікуди подітися.

Якщо в плазменному юному Всесвіті плавали «хмари» магнітного поля, то під час перетину їх надпровідними струнами в останніх мали виникати потужні електричні струми — точно, як у відомому досліді Фарадея під час переміщення провідника між полюсами магніту. На додаток до гравітаційних така струна буде випускати й електромагнітні хвилі. Якщо вона до того ж має форму замкнутого контуру і не надто велика за своїми розмірами (а таких струн у результаті зіткнень і перетинів у юному Всесвіті «гуляло» чимало), то це буде надзвичайно потужний і вельми компактний, з точки зору космічних масштабів, радіогенератор. Однак його випромінювання не буде розсіюватися, оскільки навколишня плазма, подібно до металевого екрана, відбиває і затримує електромагнітні хвилі в прилеглому просторі.

Тиск випромінювання стане різко наростати й енергійно розштовхувати навколишню електрично заряджену речовину, утворюючи величезну темну бульбашку. Галактики, що випускають світло, будуть «виростати» (конденсуватися) на її стінках, утворюючи пористу структуру, яку спостерігали американські астрономи.

Так має вигляд якісна картина формування пористих «стільників» Всесвіту. Її можна обґрунтувати і розрахунком. Однак повної впевненості в тому, що події розвивалися саме таким шляхом і що темні «бульбашки» — всього лише раковини електромагнітних сплесків, усе ж таки немає. Деякі вчені, критикуючи цю гіпотезу, підкреслюють, що, наприклад, абсолютно незрозуміло, звідки беруться у Всесвіті хмари магнітного поля. «Дійсно, незрозуміло, — відповідають їм прихильники вибухової гіпотези, — Це додаткове припущення. Але його все одно доводиться вводити, щоб пояснити механізм утворення зірок». Тож, як то кажуть, сім бід — одна відповідь! Як бачимо, загадок тут ще достатньо.

У нас поки що занадто мало надійних фактів, на які можна було б спертися під час побудови теорії. Так, якби ми володіли, поряд з оптичними та радіотелескопами, ще й приймачами гравітаційних хвиль, можна було б заглянути всередину таких бульбашок і перевірити, чи збереглися там нитки галактичних скупчень, що складаються з темної, електрично нейтральної речовини. Це було б переконливою експериментальною перевіркою гіпотези електромагнітних вибухів надпровідних струн На жаль, такі спостереження справа далекого майбутнього, гравітаційна астрономія ще тільки створюється.

У космос за струнами

Як уже йшлося вище, космічні струни — надзвичайно важкі об’єкти. Хоча за мільярди років вони помітно «схудли», зменшившись за величиною і за вагою, проте вони і сьогодні мають ще величезне поле тяжіння, і їхня присутність у космосі не може залишатися непоміченою.

Оцінки показують, що струни, які дожили до наших днів, мають розміри близько тисячі світлових років. У космічних масштабах це небагато — струна в сто разів менша за діаметр Галактики, але за нашими, земними мірками — це величезна величина, особливо, якщо згадати, що до найближчої до нас зірки десять світлових років, тобто в сотню разів менше космічної струни.

Треба сказати, що до наших днів збереглися лише ті з них, навколо яких утворювалися скупчення галактик; ті ж «зародки», навколо яких відбувалася конденсація розрізнених галактик, взагалі вже розтанули.

Середні відстані між струнами теж дуже великі — десятки мільйонів світлових років. Кожна з них — як крихітна міліметрова ворсинка в десятиметровому шарі. І все ж попри всі ці циклопічні «більше» і «менше», можна все-таки спробувати помітити їхню присутність у космосі. Завдання, звісно, надзвичайно важке. Прямі спостереження неможливі, оскільки струни не випускають ні світла, ні інших електромагнітних променів. Уся надія на їхнє потужне гравітаційне поле.

Своїм тяжінням струни мають відхиляти світлові промені, що випускаються об’єктами, які розташовані позаду них. Світло, що огинає струну з двох боків, відхилятиметься по-різному. Наприклад, світні точки, — якими ми спостерігаємо в телескопи дуже далекі, розташовані на краю видимої нами частини Всесвіту квазари, — розщепляться і перетворяться на дві бліді близько розташовані зірочки. Тому, якщо вдасться виявити ланцюжок парних світлових цяток, це свідчитиме про те, що на шляху світлових променів розташована космічна струна.

Нещодавно американські астрономи зафіксували щось подібне, але їхні спостереження вимагають ще перевірки.

Якщо космічна струна розташована на шляху променів, випущених галактикою, то крихітний видимий її диск буде різко розсічений навпіл. Поки що таких об’єктів ще ніхто не спостерігав, хоча в багатьох обсерваторіях уже кілька років ведуться пошуки.

Нарешті, гравітаційний фон Всесвіту, створений випромінюванням струн, що «розтанули» і «худнуть», викликає слабкі порушення в періодичному радіовипромінюванні деяких пульсарів, що дуже точно повторюється. Якщо це випромінювання спостерігати приблизно протягом десяти років, то такі порушення можна виділити.

Отже, «полювання» на космічні струни хоч і вкрай важка, але ненадійна справа, тим паче що ці об’єкти, особливо їхній надпровідний різновид, настільки незвичайні за своїми властивостями, що, безсумнівно, буде знайдено й інші, більш яскраві їхні прояви. Тут є над чим поламати голову!

Нескінченний і невичерпний

Читач, можливо, дещо збентежений тим, як швидко вчені замінюють одну модель еволюції Всесвіту наступною, і всі вони засновані на фантастичних гіпотезах, які важко перевірити, про властивості та поведінку Всесвіту в перші миті його життя.

Спостерігаючи, як швидко змінюють одна одну гіпотези і теоретичні схеми, далека від науки людина відчуває деяку невпевненість: як же можна вірити пророкуванням учених, якщо вони самі так швидко від них відмовляються? Адронна модель гарячого Всесвіту змінилася нейтринною, на зміну їй прийшли космічні струни, а незабаром, напевно, з’явиться ще щось. Як зауважив один із гумористів, астрономи бачать Всесвіт, але не можуть його пояснити, а космологи нічого не бачать, зате все пояснюють. Чи можна вірити їхнім «фантастичним» картинам?

Насамперед слід мати на увазі, що епітет «фантастичні», який так часто експлуатується популяризаторами науки, не зовсім доречний, коли йдеться про перші секунди життя нашого світу. Дивовижні, вражаючі — це правда, але не фантастичні, оскільки на відміну від письменників-фантастів учений-космолог має справу не з довільними припущеннями, а з логічними наслідками спостережень астрономів і дослідними фактами з фізики елементарних частинок.

Щоправда, ці наслідки не можна назвати «залізними» — вони неоднозначні, особливо в кількісному відношенні, через неточність і недостатню кількість експериментальних даних. Однак вище ми бачили, що нові спостереження їх жорстко контролюють, — тому і відбувається швидка зміна космологічних моделей, а краще сказати, вдосконалення наукової картини світу, оскільки кожна наступна модель вхоплює якийсь новий елемент істини.

У попередні століття великі астрономічні відкриття були вкрай рідкісні, сьогодні ж завдяки стрімкому прогресу техніки їх розділяють часові інтервали в п’ять-десять років. У такому ж темпі оновлюється і космологія. І цей процес поглиблення нашого знання нескінченний. Створити остаточну, повністю закінчену теорію неможливо — і мікросвіт, і космос невичерпні у своїх властивостях.

Щоб не бути голослівними, зауважимо, що сьогодні космологія виходить на наступний рівень «надструктур», елементами яких є вже цілі всесвіти. Але це — предмет окремої розмови.