О чем свидетельствует «реликтовое» излучение?
Реликтовым называют фоновое космическое излучение, спектр которого соответствует спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 градусов Кельвина. Наблюдается это излучение на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров; оно практически изотропно. Открытие реликтового излучения стало решающим подтверждением теории горячей Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность материи и очень высокую температуру. Фиксируемое сегодня реликтовое излучение – это информация о давно прошедших событиях, когда возраст Вселенной составлял всего 300–500 тысяч лет, а плотность была около 1000 атомов на кубический сантиметр. Именно тогда температура первородной Вселенной опустилась примерно до 3000 градусов Кельвина, элементарные частицы образовали атомы водорода и гелия и внезапное исчезновение свободных электронов привело к излучению, которое мы сегодня называем реликтовым.
Содержание статьи
РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см 3 .
Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновым фоновым излучением» cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С.Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Иногда в научной и популярной литературе можно также встретить термин «трехградусное космическое излучение». Далее мы будем называть это излучение «реликтовым».
Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.
Теория горячей Вселенной.
В 1929 американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) открыл, что большинство галактик удаляется от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположена галактика (закон Хаббла). Это было интерпретировано как всеобщее расширение Вселенной, начавшееся примерно 15 млрд. лет назад. Встал вопрос о том, как выглядела Вселенная в далеком прошлом, когда галактики только начали удаляться друг от друга, и даже еще раньше. Хотя математический аппарат, основанный на общей теории относительности Эйнштейна и описывающий динамику Вселенной, был создан еще в 1920-е годы Виллемом де Ситтером (1872–1934), Александром Фридманом (1888–1925) и Жоржем Леметром (1894–1966), о физическом состоянии Вселенной в раннюю эпоху ее эволюции ничего не было известно. Не было даже уверенности, что в истории Вселенной существовал определенный момент, который можно считать «началом расширения».
Развитие ядерной физики в 1940-е годы позволило начать разработку теоретических моделей эволюции Вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже был достаточно надежно измерен по наблюдениям спектров звезд: в среднем они состоят на 2 / 3 из водорода и на 1 / 3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц – протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.
Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.
В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.
В 1946 в США «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной предложил физик русского происхождения Георгий Гамов (1904–1968). В 1948 была опубликована работа его сотрудников – Ральфа Альфера и Роберта Хермана, в которой рассматривались ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения с целью получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов. В те годы стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в первые мгновения эволюции вещества было естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2–4 млрд. лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла, вытекавшим в те годы из астрономических наблюдений.
Сравнивая возраст Вселенной в 2–4 млрд. лет с оценкой возраста Земли – около 4 млрд. лет, – приходилось предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах – процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли и других тел уже не было времени.
Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.
С другой стороны, содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом – в ограниченном количестве.
Основная идея теории Гамова как раз и состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 сек после начала расширения температура была около 30 млрд. K. В таком горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.
Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда кельвинов, некоторое количество возникающего дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Расчеты показывают, что температуру и плотность вещества можно согласовать так, чтобы к этому моменту доля нейтронов в веществе составляла около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные тяжелые частицы остались в виде протонов – ядер атомов водорода. Ядерные реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, температура ее вещества и излучения снижается. Из работ Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K.
Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.
Казалось бы, решающим тестом для выбора между холодной и горячей моделями Вселенной мог стать поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.
На пути к обнаружению реликтового излучения.
В середине 1960-х годов астрофизики продолжали теоретически изучать горячую модель Вселенной. Вычисление ожидаемых характеристик реликтового излучения было выполнено в 1964 А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым в СССР и независимо Ф.Хойлом и Р.Дж.Тейлором в Великобритании. Но эти работы, как и более ранние работы Гамова с коллегами, не привлекли к себе внимания. А ведь в них уже было убедительно показано, что реликтовое излучение можно наблюдать. Несмотря на крайнюю слабость этого излучения в нашу эпоху, оно, к счастью, лежит в той области электромагнитного спектра, где все прочие космические источники в целом излучают еще слабее. Поэтому целенаправленный поиск реликтового излучения должен был привести к его открытию, но радиоастрономы не знали об этом.
Вот что сказал А.Пензиас в своей нобелевской лекции: «Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 в краткой статье А.Г.Дорошкевича и И.Д.Новикова, озаглавленной Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии . Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале «Советская физика – Доклады», статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории «Белл» в Кроуфорд-Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!» (цит. по: Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной: Жизнь и труд Эдвина Хаббла . М., 1989).
К сожалению, эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями; она не стимулировала поиск реликтового излучения. Историки науки до сих пор гадают, почему долгие годы никто не пытался сознательно искать излучение горячей Вселенной. Любопытно, что мимо этого открытия – одного из крупнейших к 20 в. – ученые прошли несколько раз, не заметив его.
Например, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941. Тогда канадский астроном Э.Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Дзета Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана, причем их вращение должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К. Конечно, никто не мог подумать тогда, что возбуждение вращательных уровней этих молекул вызывается реликтовым излучением. Лишь после его открытия в 1965 были опубликованы работы И.С.Шкловского, Дж.Филда и др., в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, линии которых отчетливо наблюдаются в спектрах многих звезд, вызвано именно реликтовым излучением.
Еще более драматичная история произошла в середине 1950-х годов. Тогда молодой ученый Т.А.Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С.Э.Хайкина и Н.Л.Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Уилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда еще не было столь чувствительных приемников, которые появились впоследствии у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 в его кандидатской диссертации и в журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений были велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, теперь нам ясно, что Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни он сам, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.
Наконец, около 1964 к этой проблеме сознательно подошел известный физик-экспериментатор из Принстона (США) Роберт Дикке. Хотя его рассуждения основывались на теории «осциллирующей» Вселенной, которая многократно испытывает расширение и сжатие, Дикке ясно понимал необходимость поиска реликтового излучения. По его инициативе в начале 1965 молодой теоретик Ф.Дж.Э.Пиблс провел необходимые вычисления, а П.Г.Ролл и Д.Т.Уилкинсон начали сооружать маленькую низкошумящую антенну на крыше Пальмеровский физической лаборатории в Принстоне. Для поиска фонового излучения не обязательно использовать большие радиотелескопы, так как излучение идет со всех направлений. От того, что большая антенна фокусирует луч на меньшей площадке неба, ничего не выигрывается. Но группа Дикке не успела сделать запланированное открытие: когда их аппаратура уже была готова, им оставалось лишь подтвердить открытие, накануне случайно сделанное другими.
Открытие реликтового излучения.
В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих с широких площадок на небе. В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пензиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение.
Для точного измерения радиоизлучения Галактики необходимо было учесть все возможные помехи, вызываемые излучением земной атмосферы и поверхности Земли, а также помехи, возникающие в антенне, электрических цепях и приемниках. Предварительные испытания приемной системы показали несколько больший шум, чем ожидалось по расчетам, но казалось правдоподобным, что это связано с небольшим избытком шума в усилительных цепях. Чтобы избавиться от этих проблем, Пензиас и Уилсон использовали устройство, известное как «холодная нагрузка»: сигнал, приходящий от антенны, сравнивается с сигналом от искусственного источника, охлажденного жидким гелием при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля (4 K). В обоих случаях электрический шум в усилительных цепях должен быть одинаков, и поэтому полученная при сравнении разница дает мощность сигнала, идущего от антенны. Этот сигнал содержит вклады только от антенного устройства, земной атмосферы и астрономического источника радиоволн, попадающего в поле зрения антенны.
Пензиас и Уилсон ожидали, что антенное устройство будет давать очень небольшой электрический шум. Однако, чтобы проверить это предположение, они начали свои наблюдения на сравнительно коротких волнах длиной 7,35 см, на которых радиошум от Галактики должен быть пренебрежимо мал. Естественно, какой-то радиошум ожидался на такой длине волны и от земной атмосферы, но этот шум должен иметь характерную зависимость от направления: он должен быть пропорционален толщине атмосферы в том направлении, в каком смотрит антенна: немного меньше в направлении зенита, чуть больше в направлении горизонта. Ожидалось, что после вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не останется никакого существенного сигнала от антенны и это подтвердит, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал. После этого можно будет начать изучение самой Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение. (Отметим, что радиоволны с длинами в сантиметры или дециметры, вплоть до 1 м, обычно называют «микроволновым излучением». Такое название дано потому, что эти длины волн меньше, чем у тех ультракоротких волн, которые использовали в радарах в начале Второй мировой войны.)
К своему удивлению, Пензиас и Уилсон обнаружили весной 1964, что они принимают на длине волн 7,35 см довольно заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления. Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года. Следовательно, это не могло быть излучением Галактики, ибо в этом случае его интенсивность менялась бы в зависимости от того, смотрит антенна вдоль плоскости Млечного Пути или поперек. К тому же, если бы это было излучением нашей Галактики, то большая спиральная галактика М 31 в Андромеде, во многих отношениях похожая на нашу, тоже должна была бы сильно излучать на волне 7,35 см, а этого не наблюдалось. Отсутствие каких-либо вариаций наблюдаемого микроволнового шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиоволны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объема Вселенной.
Исследователям было ясно, что необходимо снова проверить, не может ли сама антенна производить больше электрического шума, чем ожидалось. В частности, было известно, что в рупоре антенны угнездилась пара голубей. Они были пойманы, отправлены по почте на принадлежащий компании «Белл» участок в Виппани, выпущены на волю, вновь обнаружены несколькими днями спустя на своем месте в антенне, снова пойманы и наконец утихомирены более решительными средствами. Однако во время аренды помещения голуби покрыли внутренность антенны тем, что Пензиас назвал «белым диэлектрическим веществом», которое при комнатной температуре могло быть источником электрического шума. В начале 1965 был демонтирован рупор антенны и вычищена вся грязь, однако это, как и все другие ухищрения, дало очень малое уменьшение наблюдаемого уровня шума.
Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Оказалось, что пространство излучает так, как будто бы оно нагрето до температуры 3,5 кельвина (точнее, достигнутая точность позволяла заключить, что «температура космоса» от 2,5 до 4,5 кельвина). Необходимо заметить, что это очень тонкий экспериментальный результат: например, если перед рупором антенны расположить брикет мороженого, то он сиял бы в радиодиапазоне, в 22 млн. раз более ярком, чем соответствующей участок неба. Обдумывая неожиданный результат своих наблюдений, Пензиас и Уилсон не торопились с публикацией. Но события развивались уже помимо их воли.
Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелем Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тсрнера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Филом Пиблслм, работавшим под руководством Роберта Дикке. В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K.
Пензиас позвонил Дикке, и обе группы исследователей встретились. Роберту Дикке и его коллегам Ф.Пиблсу, П.Роллу и Д.Уилкинсону стало ясно, что А.Пензиас и Р.Уилсон обнаружили реликтовое излучение горячей Вселенной. Ученые решили одновременно опубликовать два письма в престижном «Астрофизическом журнале» («Astrophysical Journal»). Летом 1965 были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением с помощью теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убежденные в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон дали своей заметке скромное название: Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц . Они просто объявили, что «измерения эффективной зенитной температуры шума... дали значение на 3,5 K выше, чем ожидалось», и избежали всяких упоминаний о космологии, за исключением фразы, что «возможное объяснение наблюдаемой избыточной температуры шума дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в сопутствующем письме в этом же выпуске журнала».
В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения. Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 K. Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей.
Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи.
Наиболее точные измерения реликтового излучения проведены из космоса: это эксперимент «Реликт» на советском спутнике «Прогноз-9» (1983–1984) и эксперимент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американском спутнике COBE (Cosmic Background Explorer, ноябрь 1989–1993) Именно последний позволил точнее всего определить температуру реликтового излучения: 2,725 ± 0,002 K.
Микроволновый фон как «новый эфир».
Итак, спектр реликтового излучения с очень высокой точностью соответствует излучению абсолютно черного тела (т.е. описывается формулой Планка) с температурой Т = 2,73 К. Однако наблюдаются небольшие (около 0,1%) отклонения от этой средней температуры в зависимости от того, в каком направлении на небе проводится измерение. Дело в том, что реликтовое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной со всей системой разбегающихся галактик, в так называемой «сопутствующей системе отсчета», которая расширяется вместе с Вселенной. В любой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления. В первую очередь это вызвано движением измеряющего прибора относительно реликтового излучения: эффект Доплера приводит к «посинению» фотонов, летящих навстречу прибору, и к «покраснению» догоняющих его фотонов.
При этом измеренная температура по сравнению со средней (Т 0) зависит от направления движения: T = T 0 (1 + (v/c) cos i ), где v – скорость прибора в системе координат, связанной с реликтовым излучением; c – скорость света, i – угол между вектором скорости и направлением наблюдения. На фоне однородного распределения температуры появляется два «полюса» – теплый в направлении движения и прохладный в противоположном направлении. Поэтому такое отклонение от однородности называют «дипольным». Дипольная составляющая в распределении реликтового излучения была обнаружена еще при наземных наблюдениях: в направлении на созвездие Льва температура этого излучения оказалась на 3,5 мК выше средней, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, мы движемся относительно реликтового излучения со скоростью около 400 км/с. Точность измерений оказалась настолько высокой, что обнаружились даже годовые вариации дипольной составляющей, вызванные обращением Земли вокруг Солнца со скоростью 30 км/с.
Измерения с искусственных спутников Земли существенно уточнили эти данные. По данным COBE, после учета орбитального движения Земли получается, что Солнечная система движется так, что амплитуда дипольной составляющей температуры реликтового излучения D T = 3,35 мК; это соответствует скорости движения V = 366 км/с. Движется Солнце относительно излучения в направлении границы созвездий Льва и Чаши, к точке с экваториальными координатами a = 11 h 12 m и d = –7,1° (эпоха J2000); что соответствует галактическим координатам l = 264,26° и b = 48,22° . Учет движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении l 0 = 93 ± 2° и b 0 = –4 ± 2° . Поэтому движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении около l = 269° и b = +29° . Это примерно под углом 45° относительно направления на центр скопления галактик в Деве (Virgo).
Изучение движений галактик в еще большем масштабе показывает, что совокупность ближайших скоплений галактик (119 скоплений из каталога Абеля в пределах 200 Мпк от нас) движется как целое относительно реликтового излучения со скоростью около 700 км/с. Таким образом, наша окрестность Вселенной плывет в море реликтового излучения с заметной скоростью. Астрофизики неоднократно обращали внимание на то, что сам факт существования реликтового излучения и связанной с ним выделенной системой отсчета отводит этому излучению роль «нового эфира». Но ничего мистического в этом нет: все физические измерения в этой системе отсчета эквивалентны измерениям в любой другой инерциальной системе отсчета. (Обсуждение проблемы «нового эфира» в связи с принципом Маха можно найти в книге: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975).
Анизотропия реликтового излучения.
Температура реликтового излучения является лишь одним из его параметров, описывающих раннюю Вселенную. В свойствах этого излучения сохранились и другие явные следы очень ранней эпохи эволюции нашего мира. Астрофизики находят эти следы, анализируя спектр и пространственную неоднородность (анизотропию) реликтового излучения.
Согласно теории горячей Вселенной, по прошествии примерно 300 тыс. лет после начала расширения температура вещества и связанного с ним излучения уменьшилась до 4000 К. При этой температуре фотоны уже не могли ионизовать атомы водорода и гелия. Поэтому в ту эпоху, соответствующую красному смещению z = 1400, произошла рекомбинация горячей плазмы, в результате которой плазма превратилась в нейтральный газ. Тогда еще никаких галактик и звезд, конечно, не было. Они возникли значительно позже.
Став нейтральным, заполняющий Вселенную газ оказался практически прозрачным для реликтового излучения (хотя в ту эпоху это были не радиоволны, а свет видимого и близкого инфракрасного диапазонов). Поэтому древнее излучение почти беспрепятственно доходит до нас из глубин пространства и времени. Но все же по пути оно испытывает некоторые влияния и как археологический памятник несет на себе следы исторических событий.
Например, в эпоху рекомбинации атомы испускали много фотонов с энергией порядка 10 эВ, что в десятки раз превышает среднюю энергию фотонов равновесного излучения той эпохи (при T = 4000 К таких энергичных фотонов крайне мало, порядка одной миллиардной доли от их общего числа). Поэтому рекомбинационное излучение должно было бы сильно исказить планковский спектр реликтового излучения в диапазоне длин волн около 250 мкм. Правда, расчеты показали, что сильное взаимодействие излучения с веществом приведет к тому, что выделившаяся энергия в основном «рассосется» по широкой области спектра и не сильно его исказит, но будущие точные измерения смогут заметить и это искажение.
А значительно позже, в эпоху формирования галактик и первого поколения звезд (при z ~ 10), когда огромная масса уже почти остывшего вещества вновь испытала значительный нагрев, спектр реликтового излучения вновь мог измениться, поскольку, рассеиваясь на горячих электронах, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (так называемый «обратный эффект Комптона»). Оба описанные выше эффекта искажают спектр реликтового излучения в его коротковолновой области, которая пока наименее исследована.
Хотя в нашу эпоху большая часть обычного вещества плотно упакована в звездах, а те в галактиках, все же и вблизи нас реликтовое излучение может испытать заметное искажение спектра в том случае, если его лучи по пути к Земле проходят сквозь крупное скопление галактик. Обычно такие скопления заполнены разреженным, но очень горячим межгалактическим газом, имеющим температуру около 100 млн К. Рассеиваясь на быстрых электронах этого газа, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (все тот же обратный комптон-эффект) и переходят из низкочастотной, рэлей-джинсовской области спектра в высокочастотную, виновскую область. Этот эффект был предсказан Р.А.Сюняевым и Я.Б.Зельдовичем и обнаружен радиоастрономами в направлении многих скоплений галактик в виде понижения температуры излучения в рэлей-джинсовской области спектра на 1–3 мК. Эффект Сюняева – Зельдовича был открыт первым среди эффектов, создающих анизотропию реликтового излучения. Сравнение его величины с рентгеновской светимостью скоплений галактик позволило независимо определить постоянную Хаббла (H = 60 ± 12 км/с/Мпк).
Вернемся к эпохе рекомбинации. В возрасте менее 300 000 лет Вселенная представляла собой почти однородную плазму, содрогавшуюся от звуковых, а точнее – инфразвуковых волн. Расчеты космологов говорят, что эти волны сжатия и расширения вещества генерировали в непрозрачной плазме также колебания плотности излучения, и поэтому ныне они должны обнаруживаться в виде чуть заметной «зыби» в почти однородном реликтовом излучении. Поэтому сегодня оно должно приходить на Землю с разных сторон с чуть разной интенсивностью. В данном случае речь идет не о тривиальной дипольной анизотропии, вызванной движением наблюдателя, а о вариациях интенсивности, действительно присущих самому излучению. Их амплитуда должна быть крайне мала: примерно одна стотысячная доля самой температуры излучения, т.е. порядка 0,00003 К. Их очень трудно измерить. Первые попытки определить величины этих малых флуктуации в зависимости от направления на небе были сделаны сразу после открытия самого реликтового излучения в 1965. Позже они не прекращались, но открытие состоялось лишь в 1992 с помощью аппаратуры, вынесенной за пределы Земли. В нашей стране такие измерения были проведены в эксперименте «Реликт», но более уверенно эти малые флуктуации были зарегистрированы с американского спутника COBE (рис. 1).
В последнее время проводится и планируется много экспериментов по измерению амплитуды флуктуаций реликтового излучения в различных угловых масштабах – от градусов до секунд дуги. Различные физические явления, происходившие в самые первые мгновения жизни Вселенной, должны были оставить свой характерный отпечаток в приходящем к нам излучении. Теория предсказывает определенную зависимость между размерами холодных и горячих пятен в интенсивности реликтового излучения и их относительной яркостью. Зависимость очень своеобразная: в ней заключена информация о процессах рождения Вселенной, о том, что происходило сразу после рождения, а также о параметрах сегодняшней Вселенной.
Угловое разрешение первых наблюдений – в экспериментах «Реликт-2 и COBE – было очень плохое, примерно 7° , поэтому информация о флуктуациях реликтового излучения была неполной. В последующие годы такие же наблюдения проводились с помощью как наземных радиотелескопов (в нашей стране для этой цели используется инструмент РАТАН-600 с незаполненной апертурой диаметром 600 м), так и радиотелескопов, которые поднимались на воздушных шарах в верхние слои атмосферы.
Принципиальным шагом в исследовании анизотропии реликтового излучения стал эксперимент «Бумеранг» (BOOMERANG), выполненный учеными США, Канады, Италии, Англии и Франции с помощью беспилотного аэростата НАСА (США) объемом 1 млн кубометров, который с 29 декабря 1998 по 9 января 1999 совершил круг на высоте 37 км вокруг Южного полюса и, пролетев около 10 тыс. км, сбросил гондолу с приборами на парашюте в 50 км от места старта. Наблюдения проводились субмиллиметровым телескопом с главным зеркалом диаметром 1,2 м, в фокусе которого размещалась охлажденная до 0,28 K система болометров, измерявшая фон в четырех частотных каналах (90, 150, 240 и 400 ГГц) с угловым разрешением 0,2–0,3 градуса. За время полета наблюдениями было покрыто около 3% небесной сферы.
Зарегистрированные в эксперименте «Бумеранг» температурные неоднородности реликтового излучения с характерной амплитудой 0,0001 К подтвердили правильность «акустической» модели и показали, что четырехмерную пространственно-временную геометрию Вселенную можно считать плоской. Полученная информация позволила также судить и о составе Вселенной: подтвердилось, что обычное барионное вещество, из которого состоят звезды, планеты и межзвездный газ, составляет всего около 4% массы; а остальные 96% заключены в неизвестных пока формах материи.
Эксперимент «Бумеранг» был прекрасно дополнен подобным ему экспериментом MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), в основном выполненном учеными США и Италии. Их аппаратура, летавшая в стратосферу в августе 1998 и в июне 1999, исследовала менее 1% небесной сферы, но с высоким угловым разрешением: около 5". Аэростат совершал ночные полеты над континентальной частью США. Главное зеркало телескопа имело диаметр 1,3 м. Приемная часть аппаратуры состояла из 16 детекторов, покрывавших 3 частотных диапазона. Вторичные зеркала охлаждались до криогенной температуры, а болометры – даже до 0,1 K. Такую низкую температуру удавалось поддерживать до 40 часов, чем и ограничивалась длительность полета.
Эксперимент MAXIMA выявил мелкую «зыбь» в угловом распределении температуры реликтового излучения. Его данные были дополнены наблюдениями наземной обсерватории с помощью интерферометра DASI (Degree Angular Scale Interferometer), установленного радиоастрономами Чикагского университета (США) на Южном полюсе. Этот 13-элементный криогенный интерферометр наблюдал в десяти частотных каналах в диапазоне 26–36 ГГц и выявил еще более мелкие флуктуации реликтового излучения, причем зависимость их амплитуды от углового размера хорошо подтверждает теорию акустических колебаний, унаследованных от молодой Вселенной.
Кроме измерений интенсивности реликтового излучения с поверхности Земли, планируются и космические эксперименты. В 2007 предполагается запустить в космос радиотелескоп «Planck» (Европейское космическое агентство). Его угловое разрешение будет существенно выше, а чувствительность примерно в 30 раз лучше, чем в эксперименте COBE. Поэтому астрофизики надеются, что многие факты о начале существования нашей Вселенной будут выяснены (см. рис. 1).
Владимир Сурдин
Литература:
Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной
. М., 1975
Космология: теория и наблюдения
. М., 1978
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной
. М., 1981
Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной
. М., 1982
Сюняев Р.А. Микроволновое фоновое излучение
. – В кн.: Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М., 1986
Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной
. М., 1988
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной
. М., 1990
Первые теоретические оценки ожидаемой температуры реликтового излучения содержатся еще в работах Гамова и Алфера, выполненных в 50-х годах. Они указывали цифру около 5 К. Можно ли это излучение наблюдать на фоне электромагнитного излучения звезд и радиогалактик? В работе советского астрофизика А. Г. Дорошкевича и автора в 1964 г. было впервые конкретно рассчитано, насколько интенсивность реликтового излучения (если оно, конечно, есть) должна превышать в сантиметровой области спектра интенсивность излучения радиогалактик и других источников. Стала ясна возможность постановки решающего эксперимента по поискам реликтового излучения, от которого зависел выбор между горячей и холодной моделями Вселенной. Но эта теоретическая работа осталась незамеченной наблюдателями.
Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. сотрудниками американской компании "Bell" Пензиасом и Вилсоном при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдения спутника "Эхо". Они обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса, не зависящий от направления антенны. Дикке, Пиблс, Ролл и Вилкинсон сразу же дали космологическое объяснение измерениям Пензиаса и Вилсона, как доказательства горячей модели Вселенной. В это время Дикке и его сотрудники сами готовили аппаратуру для поисков радиофона от реликтового излучения на длине волны 3 см . Первые наблюдения Пензиаса и Вилсона были проведены на волне 7,35 см . Они показали, что температура излучения составляет около 3° абсолютной шкалы Кельвина. В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн от десятков сантиметров до долей миллиметра.
Наблюдения показали, что спектр излучения равновесный, как это и предсказывалось теорией горячей Вселенной. Он соответствует формуле Планка для равновесного излучения с температурой 2,7 К. На рис. 21 приведен весь спектр электромагнитного излучения в космосе от метровых радиоволн до ультрафиолетового излучения * .
* (Разумеется, это спектр излучения, который существует в среднем во Вселенной вдали от звезд и других источников. )
На метровых волнах излучают так называемые радиогалактики, о которых говорилось в § 3 гл. 1. В них есть мощные магнитные поля и энергичные электроны. Движение электронов в магнитных полях и вызывает радиоизлучение. В области видимого света излучают звезды, в инфракрасной области, вероятно, светит главным образом пыль, нагретая светом звезд. Возможны также другие источники инфракрасного излучения. Между этими двумя областями, радиоволнами и видимым светом (и инфракрасными источниками), находится область спектра, где господствует реликтовое излучение.
Интересно отметить, что первое проявление реликтового излучения астрономы обнаружили еще в 1941 г. Именно тогда астрофизик Мак-Келлар отметил, что радикалы циана наблюдаются в межзвездном газе в возбужденном вращательном состоянии, соответствующем температуре возбуждения около 2,3 К. Что возбуждает молекулы, тогда оставалось неясным. После открытия реликтового излучения И. С. Шкловский и независимо Филд, Вульф, Тадеуш и другие ученые объяснили это возбуждением молекул реликтовым излучением. Наблюдение соответствующих молекулярных линий в спектре CN помогло вычислить температуру реликтового излучения на волне λ ≈ 0,26 см .
Если измерять на одной и той же длине волны интенсивность реликтового излучения, приходящего к нам с разных направлений, то в пределах точности измерений она оказывается одинаковой. Точность измерения составляет десятые доли процента. Это обстоятельство является важным доказательством того, что расширение Вселенной происходит изотропно не только сейчас, но и в далеком прошлом, когда плотность вещества была в тысячи раз больше, чем современная. Ведь Вселенная сейчас практически прозрачна для реликтового излучения, и оно приходит к нам с огромных расстояний. Подробнее мы об этом скажем в § 8 гл. 3. Только для самых ранних стадий расширения остается возможность для Вселенной не подчиняться теории Фридмана!
Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.
Если подсчитать общее количество плотности энергии, которое сегодня содержится в реликтовом излучении, то его окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов:
Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10 -30 (г / см 3) (см. гл. 1). Это значит, что, если бы мы "размазали" все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего 1 атом (напомним, что масса атома водорода - наиболее распространенного элемента Вселенной,- составляет около 10 -24 г). В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.
Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. В § 2 гл. 3 говорилось, что отношение числа квантов электромагнитных волн к числу тяжелых частиц характеризует энтропию Вселенной. В нашем случае это отношение равно *
* (Заметим, что число фотонов в единице объема известно из измерений хорошо, однако плотность обычного вещества, как мы видели в гл. 1, известна гораздо хуже. Поэтому отношение (6) численно может меняться в зависимости от уточнения плотности вещества, Так, если эта плотность равна ρ крит, то S = 10 8 . )
Таким образом, энтропия Вселенной огромна. Отношение (6), как мы говорили, практически не меняется при эволюции Вселенной.
Открытие реликтового излучения является грандиозным достижением современной науки. Оно позволяет сказать, что на ранних стадиях расширения Вселенная была горячей. Предсказание реликтового излучения было сделано в рамках теории расширяющейся Вселенной, поэтому его открытие еще раз показывает правильность и плодотворность для космологии пути, указанного работами А. А. Фридмана.
Одним из интересных открытий, связанных с электромагнитным спектром, является реликтовое излучение Вселенной . Открыто оно было случайно, хотя возможность его существования была предсказана.
История открытия реликтового излучения
История открытия реликтового излучения началась в 1964 году. Сотрудники американской лаборатории Белл Телефон разрабатывали систему связи с помощью искусственного спутника Земли. Работать эта система должна была на волнах длиной 7,5 сантиметра. Столь короткие волны применительно к спутниковой радиосвязи имеют некоторые преимущества, но до Арно Пензиаса и Роберта Уилсона никто этой проблемы не решал. Они были первооткрывателями в этой сфере и должны были позаботиться о том, чтобы на той же волне не оказалось сильных помех, или чтобы о таких помехах работники связи знали заранее. В то время считали, что источником радиоволн, идущих из космоса, могут быть лишь точечные объекты вроде радиогалактик или звезд . Источники радиоволн. В распоряжении ученых были исключительно точный приемник и поворотная рупорная антенна. С их помощью ученые могли прослушать весь небесный свод примерно так, как врач прослушивает грудь больного с помощью стетоскопа.Сигнал природного источника
И вот едва антенну навели на одну из точек небосвода, как на экране осциллографа заплясала кривая линия. Типичный сигнал природного источника . Наверное, специалисты удивились своему везению: в первой же замеренной точке - источник радиоизлучения! Но куда бы они ни направляли свою антенну, эффект оставался тот же. Ученые вновь и вновь проверяли исправность аппаратуры, но она была в полном порядке. И наконец они поняли, что открыли неизвестное ранее явление природы: вся Вселенная оказалась как бы наполнена радиоволнами сантиметровой длины . Если бы мы могли видеть радиоволны, небесный свод представился бы нам светящимся от края до края.
Радиоволны Вселенной.
Открытие Пензиаса и Уилсона было опубликовано. И уже не только они, а и учёные многих других стран начали поиски источников таинственных радиоволн, улавливаемых всеми приспособленными для этой цели антеннами и приемниками, где бы они ни находились и на какую бы точку неба ни нацеливались, причем интенсивность радиоизлучения на волне 7,5 сантиметра в любой точке была абсолютно одинаковой, оно словно бы размазано по всему небу равномерно.
Реликтовое излучение рассчитано учеными
Советские ученые А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, предсказавшие реликтовое излучение до его открытия, произвели сложнейшие подсчеты . Они учли все имеющиеся в нашей Вселенной источники излучения, учли и то, как изменилось излучение тех или иных объектов во времени. И оказалось, что в области сантиметровых волн все эти излучения минимальны и, следовательно, за обнаруженное свечение неба никак не ответственны. Между тем дальнейшие расчеты показали, что плотность размазанного излучения очень велика. Вот сравнение фотонного киселя (так назвали ученые загадочное излучение) с массой всей материи по Вселенной. Если все вещество всех видимых Галактик равномерно «размазать» по всему пространству Вселенной, то на три кубических метра пространства придется лишь один атом водорода (для простоты всю материю звезд будем считать водородом). И в то же время в каждом кубическом сантиметре реального пространства содержится около 500 фотонов излучения. Немало, даже если сравнивать не количество единиц вещества и излучения, а прямо их массы. Откуда же взялось столь интенсивное излучение? В свое время советский ученый А. А. Фридман, решая знаменитые уравнения Эйнштейна, открыл, что наша Вселенная находится в постоянном расширении . Вскоре было найдено подтверждение этому. Американец Э. Хаббл обнаружил явление разбегания Галактик . Экстраполируя это явление в прошлое, можно вычислить момент, когда все вещество Вселенной находилось в весьма малом объеме и плотность его была несравненно большей, чем сейчас. В ходе расширения Вселенной происходит и удлинение длины волны каждого кванта пропорционально расширению Вселенной; при этом квант как бы «охлаждается» - ведь чем меньше длина волны кванта, тем он «горячее». Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру около 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А десять миллиардов лет назад, когда Вселенная была несравненно меньшей, а плотность ее вещества очень большой, эти кванты обладали температурой порядка 10 миллиардов градусов. С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Потому-то «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило название реликтовое излучение. Реликтами , как известно, называются остатки древнейших животных и растений, сохранившихся до наших дней. Кванты сантиметрового излучения - безусловно, самый древний из всех возможных реликтов. Ведь образование их относится к эпохе, отстоящей от нас примерно на 15 миллиардов лет.Знание о Вселенной принесло реликтовое излучение
Практически ничего нельзя сказать о том, каким было вещество в нулевой момент, когда его плотность была бесконечно большой. Но явления и процессы, происходившие во Вселенной , всего через секунду после ее рождения и даже раньше, до 10~8 секунды, ученые представляют себе уже довольно хорошо. Сведения об этом принесло именно реликтовое излучение . Итак, прошла секунда с нулевого момента. Материя нашей Вселенной имела температуру 10 миллиардов градусов и состояла из своеобразной «каши» реликтовых квантов, электродов, позитронов, нейтрино и антинейтрино . Плотность «каши» была огромной - более тонны на каждый кубический сантиметр. В такой «тесноте» непрерывно происходили столкновения нейтронов и позитронов с электронами, протоны превращались в нейтроны и наоборот. Но больше всего было тут именно квантов - в 100 миллионов раз больше, чем нейтронов и протонов. Конечно, при подобной плотности и температуре не могли существовать никакие сложные ядра вещества: они тут не распадались. Прошло сто секунд. Расширение Вселенной продолжалось, плотность ее непрерывно уменьшалась, температура падала. Позитроны почти исчезли, нейтроны превратились в протоны. Началось образование атомных ядер водорода и гелия. Расчеты, проведенные учеными, показывают, что 30 процентов нейтронов объединились, образуя ядра гелия, 70 же процентов их остались одинокими, стали ядрами водорода. В ходе этих реакций возникали новые кванты, но их количество не шло уже ни в какое сравнение с первоначальным, так что можно считать, что оно и вовсе не изменялось. Расширение Вселенной продолжалось. Плотность «каши», столь круто заваренной природой вначале, снижалась пропорционально кубу линейного расстояния. Проходили годы, столетия, тысячелетия. Прошло 3 миллиона лет. Температура «каши» к этому моменту упала до 3-4 тысяч градусов, плотность вещества также приблизилась к известной нам сегодня, однако сгустки материи, из которых могли бы сложиться звезды и Галактики, возникнуть еще не могли. Слишком велико было в то время лучевое давление, расталкивавшее любое такое образование. Даже атомы гелия и водорода оставались ионизированными: электроны существовали отдельно, протоны и ядра атомов - также отдельно. Только к концу трехмиллионнолетнего периода в остывающей «каше» начали появляться первые сгущения. Их было поначалу очень немного. Едва одна тысячная часть «каши» сгустилась в своеобразные протозвезды, как эти образования начали «гореть» аналогично современным звездам. И исторгаемые ими фотоны и кванты энергии разогрели начавшую было остывать «кашу» до температур, при которых образование новых сгущений опять оказалось невозможным. Периоды остывания и повторного разогревания «каши» вспышками протозвезд чередовались, сменяя друг друга. А на каком-то этапе расширения Вселенной образование новых сгущений стало практически невозможным уже потому, что некогда столь густая «каша» слишком «разжижилась». Примерно 5 процентов материи успело объединиться, а 95 процентов рассеялось в пространстве расширяющейся Вселенной. Так «рассеялись» и некогда горячие кванты, образовавшие реликтовое излучение. Так рассеялись и ядра атомов водорода и гелия, которые входили в состав «каши».Гипотеза образования Вселенной
Вот одна из : большая часть материи нашей Вселенной находится, отнюдь, не в составе планет, звезд и Галактик, а образует межгалактический газ - 70 процентов водорода и 30 процентов гелия, один атом водорода на кубический метр пространства. Затем развитие Вселенной миновало стадию протозвезд и вступило в стадию обычного для нас вещества, обычных разворачивающихся спиральных Галактик, обычных звезд, самая знакомая из которых - наше . Вокруг некоторых из этих звезд образовались системы планет, по крайней мере, на одной из таких планет возникла жизнь, в ходе эволюции породившая разум. Как часто встречаются в просторах космоса звезды, окруженные хороводом планет, ученые пока еще не знают. Ничего не могут они сказать и о том, как часто .
Хоровод планет.
Да и вопрос о том, как часто растение жизни расцветает пышным цветком разума, остается открытым. Известные нам сегодня гипотезы, трактующие все эти вопросы, больше похожи на малообоснованные догадки.
Но сегодня наука развивается лавинообразно. Совсем недавно ученые вообще не представляли себе, как начиналась наша . Открытое около 70 лет назад реликтовое излучение позволило нарисовать ту картину. Сегодня у человечества не хватает фактов, опираясь на которые, оно сможет ответить на сформулированные выше вопросы.
Проникновение в космическое пространство, посещения Луны и других планет, приносят новые факты. А за фактами следуют уже не гипотезы, а строгие выводы.
Реликтовое излучение говорит об однородности Вселенной
О чем еще рассказали ученым реликтовые лучи, эти свидетели рождения нашей Вселенной? А. А. Фридман решил одно из уравнений, данных Эйнштейном, и на основе этого решения открыл расширение Вселенной. Для того чтобы решить уравнения Эйнштейна, надо было задать так называемые начальные условия. Фридман исходил из предположения, что Вселенная однородна и изотропна, что вещество в ней распределено равномерно. И в течение 5-10 лет, прошедших со дня открытия Фридмана, вопрос о том, правильно ли было это его предположение, оставался открытым. Сейчас он по существу снят. Об изотропности Вселенной свидетельствует удивительная равномерность реликтового радиоизлучения. Второй факт свидетельствует о том же - распределение вещества Вселенной между Галактиками и межгалактическим газом.
Ведь межгалактический газ, составляющий основную часть вещества Вселенной, распределен по ней столь же равномерно, как и реликтовые кванты
.
Открытие реликтового излучения дает возможность заглянуть не только в сверхдалекое прошлое - за такие пределы времени, когда не было ни нашей Земли, ни нашего Солнца, ни нашей Галактики, ни даже самой Вселенной.
Как удивительный телескоп, который можно направить в любую сторону, открытие реликтового излучения позволяет заглянуть и в сверхдалекое будущее. Такое сверхдалекое, когда уже не будет ни Земли, ни Солнца, ни Галактики.
Здесь поможет явление расширения Вселенной, то как разлетаются в пространстве слагающие ее звезды, Галактики, облака пыли и газа. Вечен ли этот процесс? Или же разлет замедлится, остановится, а затем сменится сжатием? И не являются ли сменяющие друг друга сжатия и расширения Вселенной своеобразными пульсациями материи, не уничтожимой
и вечной?
Ответ на эти вопросы зависит в первую очередь от того, сколько материи содержится во Вселенной. Если ее общего тяготения достаточно, чтобы преодолеть инерцию разлета, то расширение неизбежно сменится сжатием, при котором Галактики постепенно сблизятся. Ну а если сил гравитации для торможения и преодоления инерции разлета недостаточно, наша Вселенная обречена: она рассеется в пространстве!
Грядущая судьба всей нашей Вселенной! Существует ли проблема более грандиозная? Изучение реликтового излучения дало науке возможность ее поставить. И не исключено, что дальнейшие исследования позволят ее решить.
Космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует -270°С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см 3 .
Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновым фоновым излучением» cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С.Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Иногда в научной и популярной литературе можно также встретить термин «трехградусное космическое излучение». Далее мы будем называть это излучение «реликтовым».
Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.
Теория горячей Вселенной.
В 1929 американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) открыл, что большинство галактик удаляется от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположена галактика (закон Хаббла). Это было интерпретировано как всеобщее расширение Вселенной, начавшееся примерно 15 млрд. лет назад. Встал вопрос о том, как выглядела Вселенная в далеком прошлом, когда галактики только начали удаляться друг от друга, и даже еще раньше. Хотя математический аппарат, основанный на общей теории относительности Эйнштейна и описывающий динамику Вселенной, был создан еще в 1920-е годы Виллемом де Ситтером (1872-1934), Александром Фридманом (1888-1925) и Жоржем Леметром (1894-1966), о физическом состоянии Вселенной в раннюю эпоху ее эволюции ничего не было известно. Не было даже уверенности, что в истории Вселенной существовал определенный момент, который можно считать «началом расширения».
Развитие ядерной физики в 1940-е годы позволило начать разработку теоретических моделей эволюции Вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже был достаточно надежно измерен по наблюдениям спектров звезд: в среднем они состоят на 2 / 3 из водорода и на 1 / 3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц - протонов и нейтронов - позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.
Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.
В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.
В 1946 в США «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной предложил физик русского происхождения Георгий Гамов (1904-1968). В 1948 была опубликована работа его сотрудников - Ральфа Альфера и Роберта Хермана, в которой рассматривались ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения с целью получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов. В те годы стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в первые мгновения эволюции вещества было естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2-4 млрд. лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла, вытекавшим в те годы из астрономических наблюдений.
Сравнивая возраст Вселенной в 2-4 млрд.лет с оценкой возраста Земли - около 4 млрд. лет, - приходилось предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах - процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли и других тел уже не было времени.
Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.
С другой стороны, содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом - в ограниченном количестве.
Основная идея теории Гамова как раз и состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 сек после начала расширения температура была около 30 млрд. K. В таком горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.
Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда кельвинов, некоторое количество возникающего дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Расчеты показывают, что температуру и плотность вещества можно согласовать так, чтобы к этому моменту доля нейтронов в веществе составляла около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные тяжелые частицы остались в виде протонов - ядер атомов водорода. Ядерные реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, температура ее вещества и излучения снижается. Из работ Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K.
Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.
Казалось бы, решающим тестом для выбора между холодной и горячей моделями Вселенной мог стать поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.
На пути к обнаружению реликтового излучения.
В середине 1960-х годов астрофизики продолжали теоретически изучать горячую модель Вселенной. Вычисление ожидаемых характеристик реликтового излучения было выполнено в 1964 А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым в СССР и независимо Ф.Хойлом и Р.Дж.Тейлором в Великобритании. Но эти работы, как и более ранние работы Гамова с коллегами, не привлекли к себе внимания. А ведь в них уже было убедительно показано, что реликтовое излучение можно наблюдать. Несмотря на крайнюю слабость этого излучения в нашу эпоху, оно, к счастью, лежит в той области электромагнитного спектра, где все прочие космические источники в целом излучают еще слабее. Поэтому целенаправленный поиск реликтового излучения должен был привести к его открытию, но радиоастрономы не знали об этом.
Вот что сказал А.Пензиас в своей нобелевской лекции: «Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 в краткой статье А.Г.Дорошкевича и И.Д.Новикова, озаглавленной Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии
. Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале «Советская физика - Доклады», статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории «Белл» в Кроуфорд-Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!» (цит. по: Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной: Жизнь и труд Эдвина Хаббла
М., 1989).
К сожалению, эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями; она не стимулировала поиск реликтового излучения. Историки науки до сих пор гадают, почему долгие годы никто не пытался сознательно искать излучение горячей Вселенной. Любопытно, что мимо этого открытия - одного из крупнейших к 20 в. - ученые прошли несколько раз, не заметив его.
Например, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941. Тогда канадский астроном Э.Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Дзета Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана, причем их вращение должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К. Конечно, никто не мог подумать тогда, что возбуждение вращательных уровней этих молекул вызывается реликтовым излучением. Лишь после его открытия в 1965 были опубликованы работы И.С.Шкловского, Дж.Филда и др., в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, линии которых отчетливо наблюдаются в спектрах многих звезд, вызвано именно реликтовым излучением.
Еще более драматичная история произошла в середине 1950-х годов. Тогда молодой ученый Т.А.Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С.Э.Хайкина и Н.Л.Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Уилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда еще не было столь чувствительных приемников, которые появились впоследствии у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 в его кандидатской диссертации и в журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4±
3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений были велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, теперь нам ясно, что Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни он сам, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.
Наконец, около 1964 к этой проблеме сознательно подошел известный физик-экспериментатор из Принстона (США) Роберт Дикке. Хотя его рассуждения основывались на теории «осциллирующей» Вселенной, которая многократно испытывает расширение и сжатие, Дикке ясно понимал необходимость поиска реликтового излучения. По его инициативе в начале 1965 молодой теоретик Ф.Дж.Э.Пиблс провел необходимые вычисления, а П.Г.Ролл и Д.Т.Уилкинсон начали сооружать маленькую низкошумящую антенну на крыше Пальмеровский физической лаборатории в Принстоне. Для поиска фонового излучения не обязательно использовать большие радиотелескопы, так как излучение идет со всех направлений. От того, что большая антенна фокусирует луч на меньшей площадке неба, ничего не выигрывается. Но группа Дикке не успела сделать запланированное открытие: когда их аппаратура уже была готова, им оставалось лишь подтвердить открытие, накануне случайно сделанное другими.
