Реликтовое микроволновое излучение
В предыдущих статьях описывалась история создания теории нестационарной Вселенной, открытие закона Хаббла, приводились выводы о судьбе нашего мира, сделанные в связи с этими открытиями, а также влияние научной теории на религиозные взгляды. Уже были описаны вклады Фридмана и Леметра в теорию рождении нашей Вселенной. В этой статье будет продолжено рассмотрение истории данного вопроса, описан вклад советского ученого-невозвращенца Георгия Антоновича Гамова и открытие реликтового излучения.
Ученый-физик Г. А. Гамов родился в СССР и был учеником Александра Фридмана. Он воспринял от учителя идеи о расширяющейся вселенной и на их основе, уже будучи профессором кафедры физики при Университете Джорджа Вашингтона (США), с двумя своими студентами он написал работу о «горячей Вселенной». Суть его теории заключалась в том, что в ранней Вселенной при большом давлении и температуре происходили ядерные реакции по превращению водорода в гелий и некоторые другие более тяжелые элементы, из которых теперь и состоит вся материя. В 1948 году появилась первая публикация по этой работе под именами Альфера, Бете и Гамова (хотя Бете, известный физик-ядерщик того времени, никак не участвовал в написании статьи), которую прозвали «αβγ-теория». После этого и появилось название «Большой взрыв» — имелся в виду термоядерный взрыв ранней Вселенной.
Наиболее значимым следствием его теоретических построений было предсказание «радиоволнового фона», как его принято называть в США. У нас этот феномен называется «реликтовое излучение», а теория Гамова — «горячей Вселенной». Дело в том, что в СССР Я. Б. Зельдович в это же самое время разрабатывал теорию зарождения «холодной Вселенной». Советские ученые, услышав о микроволновом фоне, ни на секунду не сомневались, что это эхо ядерных реакций ранней Вселенной, доказывающее неправоту Зельдовича и верность утверждений Гамова.
В дальнейшем выяснилось, что Гамов верно предсказал даже температуру излучения — 3 градуса по Кельвину (-270˚ по Цельсию).
В 1964 году Веll Laboratories занималась обслуживанием антенны в Холмделе (Нью-Джерси), следящей за американским спутником «Эхо». Ее сотрудники, физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, попутно занимались проверкой своих научных теорий о радиоизлучении некоторых космических объектов. Их антенна являлась самым чувствительным на то время детектором СВЧ-волн. Опыты требовали тонкой настройки, чтобы исключить влияние радиопомех на результаты исследований.
Для экспериментов выбрали волны частотой 4,08 ГГц. Известные космические источники радиоволн не излучали на этой частоте, а наша атмосфера имеет хорошую «прозрачность». Тем не менее антенна непрестанно фиксировала шумы, от которых избавиться не удавалось. В течение года вся аппаратура была тщательно проверена, и даже удален голубиный помет из раструба антенны, но это не помогло. Фиксируемый шум не исчезал. С изменением направления антенны его интенсивность не менялась, то есть он исходил от неточечного источника вне Земли. Также он не менялся со временем, то есть не зависел от активности солнца или других планет Солнечной системы. Если бы источник находился в нашей галактике, то интенсивность менялась бы по мере вращения 3емли в зависимости от того, обращена ее поверхность к центру галактики или в открытый космос. Но шум исходил сразу отовсюду и всегда.
Интенсивность шума была равна интенсивности излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. В итоге Пензиас и Вилсон поняли, что нашли реликтовое излучение, которое было предсказано Георгием Гамовым еще в 1948 году.
В то же самое время в Принстонском университете Джим Пиблз и Роберт Дикке вычислили, что если это излучение существует, то оно должно быть одинаковой интенсивности в любом направлении и соответствовать излучению абсолютно черного тела с температурой не более 10 К. В начале 1965 года Пиблз рассказал об этом на своей лекции. Пензиас узнал об этом случайно и тут же позвонил в Принстон. В тот момент там уже почти закончили монтаж оборудования для поиска фонового излучения.
Принстон сделал теоретическое обоснование открытия, но Нобелевская премия 1978 года была отдана Вилсону и Пензиасу, так как они обнаружили излучение на практике.
Реликтовое излучение — это остатки излучения, которым была наполнена ранняя Вселенная. После расширения Вселенной его интенсивность значительно снизилась, но оно не исчезло совсем. Таким образом можно принимать его как одно из практических подтверждений теории Большого взрыва.
Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную. При средней температуре излучения 2,725 К отклонения находятся в диапазоне всего нескольких сотен микрокельвинов, что составляет всего 0,01% от среднего значения. Впервые карта излучения была получена советским спутником «Прогноз». Он был запущен в 1983 году и проработал на орбите восемь месяцев. Собранные данные долго обрабатывались для исключения посторонних шумов. Так как аппаратура не позволяла делать снимки микроволнового фона с необходимой точностью, шумы подавлялись при помощи наложения друг на друга множества снимков одного и того же сектора. В итоге первый снимок ранней Вселенной был получен на 10 лет раньше, чем за рубежом.
Следующим микроволновым телескопом на орбите стал американский COBE, запущенный в 1989 году. За ним в 2001-м последовал WMAP, также из США. Последним был «Планк», запущенный в 2009 году тоже США. Каждый последующий спутник уточнял картину излучения. Последний достиг точности в пять угловых минут (0,07°) и чувствительности пять микрокельвинов. Именно его снимок размещен в начале данного раздела.
Такие точности позволили выявить упорядоченные неравномерности в излучении. Сегодня многие теоретики ведут свои изыскания на основе данных Планка, пытаясь их объяснить — это передовая современной космологии.
Чарльз Лоуренс, руководитель проекта «Планк», уверен, что их «небесное око» способно дать исчерпывающую информацию о прошлом космоса. Ее лишь нужно верно обработать и сгруппировать.
«Космическое микроволновое фоновое излучение — путешественник из далекого прошлого, который может нам рассказать всю историю нашей Вселенной», — заключает Лоуренс.
Команда занимается созданием карт окружающего космоса, выделяя из полученных фото различные спектры. В результате получается подобие карт горных пород, только не для Земли, а для космоса вокруг нас. Некоторые результаты их труда приведены ниже.
Данное изображение было составлено, чтобы вычесть его из снимка микроволнового излучения для получения его чистого изображения, пригодного для дальнейшего анализа. На мелких снимках изображены все излучения отдельно: Верхнее левое изображение показывает космическую пыль, излучающую слабый инфракрасный свет. Ее температура всего 20 градусов по Кельвину (-253 по Цельсию), но она намного теплее, чем окружающий вакуум. На верхнем правом изображении желтым цветом показана рассеянная вдоль плоскости галактики моноокись углерода. Там рождается много новых звезд. Нижняя левая иллюстрация показывает зеленым цветом излучение, характерное для горячего ионизированного газа, обычно располагающегося вблизи массивных звезд. Наконец, снизу справа синим цветом показано излучение, возникающее от прохождения электронов, выброшенных галактическими объектами, через сильные магнитные поля.
Реликтовое излучение на момент открытия было ярким подтверждением верности установившейся теории. Но далее, на момент получения первых его карт, оно показало, насколько равномерно распределено вещество во Вселенной. Оно дало первую экспериментальную оценку плотности вещества. Полученные данные говорили о том, что теория Большого взрыва не полна или даже ошибочна, потому что не объясняет высокую гомогенность Вселенной. И это не единственная возникшая на тот момент проблема. Объяснение было дано другой теорией, позже вошедшей в состав современных представлений о космосе. Проблемы канонической теории Большого взрыва будут рассмотрены в следующей статье. Там же будет рассмотрена новая более современная модель.
