Казалось бы, современное понимание устройства Вселенной уже устоялось и общепризнано. Но время от времени его приходится оборонять от так называемых аномалий, необъяснимых отклонений от нормы, ставящих стандартную модель под сомнение.

Расскажем сегодня о том, как странный космологический феномен, по своему характеру и некоторому стечению обстоятельств получивший название «Ось зла», чуть было не сломал современную космологию.

Земля смотрит в небо тысячами глаз-телескопов. Еще несколько десятков размещены на орбите. Первые телескопы были оптическими и предназначались для наблюдения световой части спектра электромагнитного излучения, которая доступна человеческому глазу. Современные же всматриваются в бездонное космическое пространство и наблюдают его объекты во всем спектре электромагнитного излучения.

К примеру, космическая обсерватория Swift. Она предназначена для регистрации и наблюдения космических гамма-всплесков – исполинских выбросов энергии, наблюдаемых в отдаленных галактиках. Место коротковолнового гамма-излучения в самом начале электромагнитного спектра. Российская орбитальная обсерватория «Радиоастрон» изучает черные дыры и нейтронные звезды в радиодиапазоне, ближе к другому концу спектра.

Некоторые орбитальные обсерватории известны больше, некоторые меньше. Возглавляет рейтинг популярности космический телескоп «Хаббл», находящийся на орбите уже 27 лет. Он изучает космос в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Широко известен и «Кеплер», оснащенный сверхчувствительным фотометром, работающим в диапазоне 430–890 нм (видимый и инфракрасный диапазоны) и способный одновременно наблюдать за колебанием яркости 145000 звезд.

Но есть среди них орбитальные обсерватории, основное предназначение которых не отдельные звезды, планеты или галактики, а сама Вселенная. Цель их нахождения на орбите – помочь астрономам разобраться в структуре нашей Вселенной, попытаться понять ее историю. А возможно, и увидеть через стену невероятных расстояний и другие вселенные.

Запущенная NASA в июне 2001 года обсерватория WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) относилась именно к таким. Аппарат предназначался для изучения фонового реликтового излучения, которое образовалось в результате Большого Взрыва. До октября 2010 года он находился в 1,5 млн км от Земли на орбите около точки Лагранжа L2 системы Солнце – Земля. В период с 2001 по 2009 год он сканировал небесную сферу и передавал результаты наблюдений на Землю. На основании данных, полученных телескопом, была составлена подробная радиокарта неба на нескольких длинах электромагнитных волн: от 1,4 см до 3 мм, что соответствует микроволновому диапазону.

Реликтовое излучение заполняет Вселенную равномерно. Это фоновое микроволновое излучение, которое возникло в эпоху первичной рекомбинации водорода, своеобразное «эхо» Большого взрыва. Оно обладает высокой степенью изотропности, то есть однородности во всех направлениях. Его спектр излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К. Максимум излучения приходится на электромагнитные волны длиной 1,9 мм и частотой 160,4 ГГц, (микроволновое излучение).

Не вдаваясь в детали, на шкале электромагнитного излучения это между тепловым инфракрасным излучением и частотами сотовой связи, радио- и телевещания. Микроволновое реликтовое излучение изотропно с точностью до 0,01%. Именно об этом говорит чередование «теплых» оранжевых и «холодных» синих областей на радиокартах космических аппаратов. Оно обладает некоторой анизотропией в малых масштабах.

В 2010 году обсерватория закончила свою миссию. Так же, как когда-то WMAP сменил на своем посту космическую обсерваторию COBE (Cosmic Background Explorer), также известную как Explorer 66, так и его заменила более чувствительная и современная европейская обсерватория «Планк» (Planck), размещенная в той же точке L2. Planck имеет более высокую чувствительность и работает с более широким диапазоном частот.

Основным положением современной космологии, на котором основано большинство современных моделей устройства Вселенной, является так называемый космологический принцип. Согласно ему, в один и тот же момент времени каждый наблюдатель, где бы он ни находился и в каком направлении бы ни смотрел, обнаружит во Вселенной в среднем одну и ту же картину.

Вот эта независимость от места наблюдений, равноправие всех точек пространства называется однородностью. А независимость от направления наблюдений, отсутствие выделенного направления в пространстве, то есть то, что Вселенная не предпочитает одно направление другому, – изотропией. А ее отсутствие – анизотропией.

Все бы ничего, да только в процессе обработки данных, полученных зондом WMAP, были сделаны выводы как раз о такой анизотропии Вселенной. Результаты анализа данных показывали на наличие в космосе некой протяженной области, вокруг которой и происходит ориентация всей структуры Вселенной.

То есть в космосе все-таки есть направление, в котором выстраиваются галактики и крупные космические объекты. Это явление, способное сломать современное представление о Вселенной, и было названо «Осью зла». Сам термин ввел в употребление работающий в Великобритании португальский физик и космолог Жуан Магейжу (João Magueijo).

Такое название, как считается, связано не столько с «геометрией» феномена, сколько с тем влиянием, которое феномен может оказать на современные сложившиеся представления о Вселенной. Кроме всего прочего, за несколько лет до этого президент США Джордж Буш ввел такой же термин по отношению к странам, которые, по мнению США, спонсируют международный терроризм и представляют угрозу миру и стабильности на планете.

Стоит отметить, что некоторой неоднородностью и анизотропией наша Вселенная обладает. В противном случае не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет. И, в конце концов, нас с вами тоже. Все это является отклонениями от однородности Вселенной. Космологический принцип применяется к очень большим масштабам, значительно превышающим размер скопления галактик. Речь идет о сотнях миллионов световых лет. В меньших масштабах неоднородность возможна как следствие вызванных Большим взрывом квантовых флуктуаций.

Магейжу, наблюдая за «теплыми» (оранжевыми) и «холодными» (синими) областями флуктуаций микроволнового реликтового излучения, сделал интересное открытие. Он установил, что и на самых больших масштабах флуктуации реликтового излучения (колебания температуры) расположены не случайным образом, а относительно упорядоченно.

Отдельным примером проявления такой анизотропии является реликтовое холодное пятно в созвездии Эридана. Здесь микроволновое излучение значительно ниже, чем в окружающих его областях. Составляющая почти миллиард световых лет в поперечнике Сверхпустота Эридана имеет гораздо меньше звезд, газа и галактик, чем обычно.

Точного понимания того, что могло бы стать причиной такой зияющей дыры, сейчас нет. Профессор Лаура Мерсини-Хаутон (Laura Mersini-Houghton) из Университета Северной Каролины дает этому свое, захватывающее, объяснение: «Это однозначно отпечаток другой вселенной за пределами нашей собственной».

«Ось зла» – гипотетическая ось в масштабах Вселенной, вокруг которой происходит формирование всей конструкции Вселенной.

Реликтовое излучение является тепловым излучением, которое, согласно теории Большого Взрыва, зародилось в ту эпоху, когда наша Вселенная представляла собой лишь сгусток плазмы. Последняя, будучи сильно разогретой, излучала большое число энергетических фотонов, которые должны были равномерно испускаться во всех направлениях.

При помощи американского космического спутника WMAP множество современных космологов и астрофизиков занимаются построением карты реликтового излучения, на которой можно отчетливо заметить неоднородное распределение этого теплового излучения на панораме видимой Вселенной. Причиной тому является несколько физических эффектов:
• Эффект Сакса – Вольфа. Данный эффект описывает неравномерное распределение теплового электромагнитного излучения за счет гравитации в зависимости от отдаленности этого излучения от массивных тел вроде черных дыр.
• Эффект Силка. Простыми словами этот эффект строится на утверждении о том, что с повышением плотности вещества в пространстве растет и энергия электромагнитного излучения.
• Эффект Доплера. Согласно нему при движении наблюдателя относительно источника, или наоборот, испускаемое электромагнитное излучение меняет свою частоту.

За счет этих и некоторых других эффектов микроволновое излучение, наполняющее Вселенную, распределено неравномерно с точностью до 0,01%. Области с отклонением температуры от среднего значения называются областями флуктуаций.

Изучая реликтовое излучение, в начале 2000-х годов, португальский космолог Жуан Магейжу обратил внимание на некоторую аномалию в распределении микроволнового излучения во Вселенной. Оказалось, что его флуктуации располагаются во Вселенной не хаотично, как утверждает теория Большого Взрыва, а вдоль некой протяженной области, масштабы которой значительны по сравнению с Вселенной. Дальнейшее развитие этой гипотезы привело ученых к тому, что, вероятно, вся структура Вселенной выстраивается вокруг этой самой линии, которая получила название «Ось зла».

Результаты, полученные с астрономического спутника «Планк» в 2013-м году подтверждают упомянутые отклонения от стандартной картины на вселенских масштабах.

«Ось зла» недаром получила такое название. Дело в том, что ее наличие противоречит теории Большого Взрыва. Эта общепринятая космологическая модель описывает ранние этапы эволюции Вселенной, а именно – ее расширение, после того как Вселенная находилась в состоянии сингулярности. Она основывается на многих фундаментальных законах и теориях вроде стандартной модели. Примечательно, что теория Большого Взрыва отлично согласовывается и с религиозной картиной сотворения мира у христиан.

Однако с каждым годом ученые все чаще сталкиваются с проблемами теории Большого Взрыва, вроде «темного потока» (упорядоченное движение галактик) или аномально высокого красного смещения некоторых галактик. Но наиболее весомым аргументом против теории Большого Взрыва теперь послужит «Ось зла» – протяженная область вселенских масштабов, формирующая вокруг себя структуру самой Вселенной, и не имеющая научного объяснения на сегодняшний день.

Одной из основ современных представлений об устройстве Вселенной является представление об «одинаковости» её пространства, отсутствии в нём каких-то особых точек и направлений.

Например, в рамках современной космологии бессмысленны разговоры о «центре Вселенной». Считается, что никакого центра у Вселенной нет: в ходе Большого Взрыва Вселенная не «разлеталась» как осколки взорвавшейся бомбы из некоего центра, а разбухала во всех направлениях и во всех точках одинаково. Причём любая только что образовавшаяся точки пространства сама по себе тоже тут же начинала разбухать.

В этом смысле, отвечая на вопрос, где находится «эпицентр» Большого Взрыва, вы можете спокойно заявить, что он находится на кончике вашего носа. И – формально – будете правы. Но должны смириться с тем, что другой человек может считать центром Вселенной свой собственный нос, и будет, снова-таки, совершенно прав. Потому что в момент большого взрыва обе эти точки были одной и той же точкой: никаких других на тот момент физически не существовало.

Ещё одно следствие: материя и энергия (что в общем-то одно и то же самое) должны быть распределены во Вселенной примерно однородно. «Примерно» – потому что на самом деле, конечно, никакой однородности нет. Плотность материи, скажем, в ядре Солнца (или тем более в сердце чёрной дыры) несравнима с плотностью таковой материи где-нибудь в межгалактическом пространстве. Но с точки зрения физики, это не проблема: по сути, повышенная концентрация материи в одних точках и пониженная – в других является лишь статистической флуктуацией.

Если мы возьмём достаточно большой объём пространства, скажем, куб с длиной грани в пару миллионов световых лет, и посчитаем попавшую в этот куб массу вещества, то окажется, что для двух любых таких кубов, размещённых в разных частях Вселенной, эта масса будет почти одинаковой – с точностью до нескольких процентов.

Долгое время все подобные наблюдения подтверждали однородность и изотропность (отсутствие неких «избранных», «особых» направлений) Вселенной. Однако последние 15 лет учёные начинают подозревать, что это может быть не так. Сомнения зародились после детального изучения такой штуки, как реликтовое излучение.

На ранних этапах своей эволюции Вселенная была непрозрачна для электромагнитного излучения. Фотоны не могли путешествовать сквозь него: рождаясь в тех или иных процессах и реакциях, они немедленно поглощались веществом, затем излучались им обратно и почти мгновенно поглощались снова. Однако примерно 13,7 миллиарда лет тому назад, примерно через полмиллиарда лет после Большого Взрыва, вещество Вселенной стало настолько разреженным и холодным, что фотоны получили возможность пролетать через него.

В результате эти освободившиеся от плена материи фотоны понеслись во все концы и во все стороны Вселенной. Те из них, которые в этот момент находились в наиболее удалённых от Земли её частях, долетают до нас и до сих пор.

По сути, реликтовое излучение – это фотография Вселенной, какой она была 13,7 миллиарда лет тому назад.

Если Вселенная однородна и изотропна, как мы считаем, и БЫЛА однородной и изотропной с самого своего рождения, то и реликтовое излучение, идущее к нам с различных направлений, тоже должно быть однородным, иметь примерно равную интенсивность и сходные спектры частот.

Точнее, на практике говорят о «температуре» реликтового излучения. Дело в том, что спектр этот по форме похож на спектр излучения нагретого тела при определённой температуре (в среднем 2,7 градуса Кельвина, -270 Цельсия).

Конечно, опять-таки, условно. Мы уже довольно давно знаем, что на небосводе есть особые точки, идущее из которых реликтовое излучение или «теплее», или «холоднее» средних значений. И это никого не смущает: нет сомнений в том, что флуктуации плотности материи существовали и в ранней Вселенной. Тем более, что на больших масштабах реликтовое излучение также оказывается в общем-то достаточно однородным – исключая отдельные феномена типа Великой пустоты Эридана (самой «холодной» с точки зрения излучения области на небосводе), но её тоже в общем-то можно объяснить особо выдающейся флуктуацией. Особой угрозы для теории такое не представляет.

Хуже другое: когда учёные составили карту вот таких вот небольших отклонений параметров реликтового излучения от средних значений, выяснилось, что эти отклонения распределены не абы как, а подчинены определённой симметрии. То есть, можно провести воображаемую линию на карте небосвода, и, если взять некую область с пониженной «температурой» идущего оттуда реликтового излучения, то окажется, что по другую сторону этой линии симметрично будет располагаться область с более «тёплым» излучением.

И вот это уже очень странно. И «спасительными флуктуациями» это уже не объяснишь, потому что флуктуации – штука по определению случайная, никаких симметрий в них наблюдаться не должно. А они наблюдаются.

Так вот: «Ось зла» – это и есть та самая линия, ось симметрии аномалий реликтового излучения.

Впервые об «Оси зла» заговорили в 2005 году, и с тех пор постоянно публикуются новые работы, одни из которых подтверждают её существование, другие, напротив, опровергают его. Проблема в недостаточной точности измерительных средств, которые пока не способны фиксировать достаточно малые отклонения параметров реликтового излучения. Последние наблюдения телескопа Chandra (март 2020) вроде бы показывают, что таки да. Предыдущие измерения космической обсерватории Planck (2016) типа свидетельствовали, что нет.

Астроном Лиор Шамир (Lior Shamir) из Университета штата Канзас в США обнаружил, что галактики во Вселенной не вращаются случайным образом.

Исследователь изучил 200 тысяч галактик и обнаружил, что распределение направления вращения галактик создает квадрупольную картину, что нельзя объяснить случайным совпадением. По мнению ученого, это может говорить о том, что ранняя Вселенная могла вращаться подобно гигантской галактике.

Шамир определил направление вращения галактик по эффекту Доплера, видимого на боковых краях диска. Галактики могут вращаться по часовой или против часовой стрелки, и от этого зависит смещение спектра световых волн, испускаемых краями галактики. Красное смещение указывает на то, что часть галактики движется в направлении от наблюдателя, а синее смещение – к наблюдателю. Согласно космологическому принципу, Вселенная изотропна, и, значит, распределение галактик по их вращению должно быть равномерным.

Ученый выяснил, что существует избыток галактик, вращающихся по часовой стрелке. Соотношение составляет 51 к 49, но в изотропной Вселенной вероятность такого распределения составляет один к миллиарду. При этом выявленная асимметрия согласуется с квадрупольной структурой, то есть в двух из четырех направлений разница становится более выраженной. Такая картина возникает, если Вселенная вращается по четырем осям.

Это согласуется с данными о квадруполе микроволнового фона, связанного с распределением флуктуаций температур. Это явление ученые называют «Осью зла», однако одним из возможных объяснений наблюдаемой анизотропии было «загрязнение» ярким светом современной Вселенной. Новое исследование лишено этого недостатка, поэтому подтверждает существование «Оси зла».