Чтение онлайн

Как раз в то время, когда в Англии Хойл и Тейлер рассчитывали последствия Большого взрыва, на другом берегу океана, в Принстоне, Роберт Дикке с коллегами начал поиски его остаточного излучения. Молодой член группы Джим Пиблз теоретически оценивал ожидаемые параметры этого излучения, а остальные участники работы создавали измерительные приборы. Но еще до начала их наблюдений это излучение случайно открыли другие. Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лабораторий «Белл» исследовали радиошумы, нарушающие телефонную связь. Они обнаружили, что некоторые шумы приходят из-за пределов Земли, а возможно, даже из-за пределов Галактики. Поэтому телефонная компания «Белл» мало что могла сделать для снижения шума; но все же — где он возникал?

Пензиас случайно услышал о семинаре, на котором незадолго до этого Пиблз рассказал об ожидаемом «эхе» Большого взрыва. Его свойства соответствовали наблюдаемому радиошуму. Так в 1965 году было открыто космическое фоновое излучение. За это открытие Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию (рис. 24.3).

Космическое фоновое излучение распределено по разным длинам волн в соответствии со спектром излучения абсолютно черного тела (рис. 24.4). Как мы уже знаем, этот спектр описывается единственным параметром — температурой. Чем выше температура, тем короче длина волны максимума излучения. Наблюдаемый пик фонового излучения в микроволновом диапазоне соответствует температуре 2,7 К. То, что его спектр в точности соответствует излучению абсолютно черного тела, было надежно доказано в 1992 году американской космической обсерваторией СОВЕ (Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона). За этот результат Джон Мазер и Джордж Смут разделили Нобелевскую премию в 2006 году.

Рис. 24.3. Рупорная антенна, с помощью которой Пензиас и Вильсон обнаружили космическое фоновое излучение.

Как раз такой спектр и должен быть у излучения горячего газа, оставшегося после Большого взрыва. Другой ключ к разгадке природы этого излучения был получен из его распределения по небу: оно оказалось изотропным, то есть приходящим равномерно из всех направлений в пространстве. Излучение немного усиливается (его температура выше) в направлении созвездия Лев, а самая низкая температура наблюдается в противоположной стороне неба. Эта особенность отражает движение Земли сквозь однородное поле излучения. Эффект Доплера делает встречное излучение чуть ярче и теплее, чем излучение, приходящее сзади. Измерение этой неоднородности позволяет определить движение Земли во Вселенной. Точнее, можно измерить скорость планеты относительно этого излучения, которое при своем рождении имело одинаковую интенсивность в разных частях Вселенной и теперь задает уникальную естественную систему координат для измерения движений (не следует путать это с неудачными попытками, предпринятыми в XIX веке, измерить наше абсолютное движение относительно эфира).

Рис. 24.4. Интенсивность излучения абсолютно черного тела при температуре 2,73 К (-270,42 °C) в зависимости от длины волны (сплошная линия) и наблюдения со спутника СОВЕ космического фонового излучения (точки).

По движению Земли сквозь фоновое излучение мы можем вывести движение всей Местной группы галактик. По-видимому, она «плывет» в сторону южного созвездия Гидра со скоростью 600 км/с. Фактически мы входим в состав широкого потока галактик, движущегося в этом направлении. Похоже, что частично это движение стимулировано притяжением к соседнему массивному скоплению Virgo (Дева), но еще сильнее действие значительно более далеких и крупных масс, притягивающих нашу и окружающие галактики в течение всей жизни Вселенной и придающих этому потоку большую скорость. Как мы знаем, элементами крупномасштабной структуры Вселенной служат сверхскопления галактик. За нашим Местным сверхскоплением с центром в скоплении Virgo находятся более крупные агрегаты; в числе ближайших — сверхскопление Гидры-Кентавра, лежащее недалеко от направления нашего движения. Этот или другие комплексы за ним могли породить поток галактик, в котором мы движемся.

В предшествующей истории космоса фоновое излучение было теплее, чем нынешнее, весьма холодное, с температурой всего 2,7 К. По мере расширения Вселенной длина волны любого излучения возрастает: волна растягивается вместе со Вселенной. Но при этом замечательно то, что сохраняется чернотельный спектр излучения, хотя его температура снижается: она уменьшается обратно пропорционально размеру Вселенной.

В эпоху, когда излучение освободилось от взаимодействия с веществом, температура газа составляла примерно 3000 К. С того момента это излучение начало свободно распространяться в нашу сторону, а Вселенная за это время расширилась в 3000/2,7 = 1100 раз во всех направлениях. Когда излучение тронулось в путь, возраст Вселенной был около 400 000 лет. А незадолго до этого момента случилось еще одно важное событие: в более раннюю эпоху главным космическим «элементом» было излучение, но как раз тогда его заменило в этой роли вещество. Поэтому космическое микроволновое излучение несет информацию об эпохе, когда произошла эта смена основного компонента Вселенной.

Используя формулу Эйнштейна (Е = mс 2), мы можем вычислить энергию вещества, содержащуюся в некотором объеме пространства, и сравнить ее с энергией излучения в том же объеме. Эти две различные формы энергии реагируют на расширение пространства по-разному: излучение ослабевает быстрее, чем вещество. Может показаться, что неважно, в какой форме была космическая энергия: в форме излучения или вещества. Но это не так. Только вещество может образовать структуры, излучение же распределяется однородно. В мире, которым управляет излучение, не могли бы возникнуть реальные объекты, в том числе и мы с вами. Излучение разогнало бы материю при ее попытках сконцентрироваться.

Астрономические наблюдения обращены в прошлое. Чем дальше источник приходящего к нам света, тем более давнюю историю он нам рассказывает. Космическое микроволновое излучение приносит информацию об эпохе, удаленной на 14 млрд лет. Оно рассказывает нам о главном событии в истории Вселенной — о рождении первых атомов. До этого момента электроны и атомные ядра двигались независимо друг от друга (то есть газ был ионизован). Лишь после того, как плотность и температура достаточно снизились, электроны смогли занять свои стабильные места на орбитах вокруг ядер. Когда электроны оказались связанными в атомах, Вселенная стала прозрачной и свет получил возможность переносить информацию на большие расстояния. В нашу эпоху эти новости о том древнем событии составляют лишь малую часть шума, мешающего радио-и телевизионному вещанию (рис. 24.5).

Рис. 24.5. (а) В эпоху молодости Вселенной фотоны космического излучения не допускали формирования атомов водорода из протонов (+) и электронов (-). (6) Когда излучение ослабло, смогли образоваться атомы. В этот момент пространство стало прозрачным настолько, что фотоны смогли почти свободно перемещаться между атомами.

Кроме того, что фоновое излучение рассказывает нам о рождении атомов водорода, это к тому же исторический документ, рассказывающий о структуре мира в ту эпоху. Прочесть этот документ не так-то легко: структурные детали очень слабы — на уровне 0,00001 интенсивности излучения. Чтобы их заметить, понадобились спутники на околоземной орбите. Пионерами в этом деле были российская космическая обсерватория «Реликт-1» и американский спутник СОВЕ. Группа под руководством Джорджа Смута из Калифорнийского университета в Беркли объявила о результатах эксперимента СОВЕ в апреле 1992 года (позже выяснилось, что «Реликт-1» видел те же структуры, хотя и не так четко). Резко улучшил качество измерений американский спутник WМАР в 2003 году, но еще раньше начался вал открытий по результатам наблюдений с высотных аэростатов и наземных обсерваторий, расположенных в местах с подходящим климатом (например, в Антарктиде).

Теоретики ожидали, что наиболее заметные пятна с избытком излучения на микроволновом небе должны иметь угловой размер Луны. Легко понять, что размер таких пятен зависит от геометрии Вселенной. Мы уже объясняли в главе 15, что угол, под которым виден далекий объект, зависит от кривизны пространства. В сферическом пространстве объект кажется больше, чем в плоской эвклидовой Вселенной, а в гиперболическом пространстве он кажется меньше. Таким образом, измеряя размер пятен микроволнового излучения, можно точно измерить общую геометрию (рис. 24.6).

Рис. 24.6. Мельчайшие вариации температуры космического фонового излучения, измеренные в эксперименте «Бумеранг» на участке неба размером 10 x 20 квадратных градусов. Характерный угловой размер неоднородностей, около 1°, свидетельствует, что пространственная геометрия Вселенной плоская. Credit: The Boomerang Collaboration.

Первые сведения о существовании пятен предпочтительного размера поступили в 1993–1995 годах от сотрудников Института Макса Планка (Германия) и Принстонского университета (США), наблюдавших это на телескопе в г. Саскатун (Канада). А убедительные измерения были проведены в 1998 году с аэростатов: экспериментом Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics, Баллонные наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и решение задач геофизики) руководили А. Ланге (Калифорнийский технологический институт) и П. де Бернардис (Римский университет), а экспериментом Maxima (Millimeter-wave Anisotropy Experiment Imaging Array, Эксперимент по картированию анизотропии в микроволновом диапазоне) — П. Ричардс (Калифорнийский университет в Беркли). Эти наблюдения показали, что предпочтительный размер пятен фонового излучения соответствует плоской Вселенной. Наконец, космическая обсерватория WMAP (большой коллектив под руководством Чарлза Беннетта из Годдардовского центра космических полетов и Университета Джонса Гопкинса) подтвердила предыдущие результаты с более высокой точностью и измерила параметр = 1,02 ± 0,02. Значение = 1 соответствует плоской Вселенной, > 1 говорит о сферическом пространстве, а <1 указывает на гиперболическую геометрию. Таким образом, наше пространство должно быть почти точно эвклидовым, и любое отклонение от плоскостности — очень малым (рис. 24.7).

Рис. 24.7. Сравнение наилучшей космологической модели с бесконечной протяженностью и плоской геометрией (непрерывная линия) с измерениями космического микроволнового фонового излучения, полученными космической обсерваторией WMAP и другими приборами (точки с «усами» ошибок). Угловой масштаб вариаций указан в верхней части рисунка. Источник: NASA.

Значительная часть первых 100 000 лет космической истории прошла при доминировании излучения. Вселенная была иной и очень простой: ее заполнял однородный газ, всюду нагретый до одинаково высокой температуры. По мере расширения Вселенной температура и плотность газа снижались. Постепенно эпоха, когда всем управляло излучение, подходила к концу. Но если отправиться в прошлое, к самому началу, когда после Большого взрыва прошло всего несколько минут, то температура в то время была выше» чем в центре Солнца. Поражает воображение, что тогда по всей Вселенной происходили ядерные реакции, похожие на те, что в наши дни генерируют энергию Солнца. Слияние протонов и нейтронов рождало ядра дейтерия, которые после столкновений друг с другом и протонами превращались в гелий.