Как работает вселенная. Введение в современную космологию - Сергей Парновский

А образовать путем квантовой флуктуации объект с нулевой массой уже не кажется такой невозможной вещью.

Вопрос: Почему не образуются новые вселенные внутри нашей Вселенной?

Ответ: Это вовсе не факт. Существуют гипотезы о том, что новые вселенные рождаются постоянно. Возможно, что, пока вы читали это предложение, на расстоянии менее километра от вас образовалась новая вселенная. Но для внешнего наблюдателя эта вселенная схожа с экзотической элементарной частицей. Подобные частицы Моисей Марков называл фридмонами.

Вопрос: Что было до Большого взрыва?

Ответ: На этот вопрос современная наука не может дать никакого ответа. Если кто-то утверждает, что знает ответ, он, скорее всего, ошибается. Один из элегантных способов уйти от ответа на этот вопрос состоит в том, чтобы сказать, что время появилось вместе с нашей Вселенной и понятия «до Большого взрыва» просто не существует.

Вопрос о том, был ли Большой взрыв, окончательно отпал после открытия реликтового излучения (космического микроволнового фонового излучения, реликта) Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 г. Это то излучение, которое было испущено в момент рекомбинации водородной плазмы. Это самое древнее явление, которое когда-либо наблюдало человечество.

Само существование реликтового излучения являлось убедительным доказательством того, что Большой взрыв действительно имел место. Кроме того, оно дало ответ еще на один вопрос. Это вопрос о том, как выглядела Вселенная сразу после Большого взрыва. Согласно наиболее распространенной гипотезе, Вселенная в момент своего рождения была очень горячей, и эта температура падала по мере ее расширения. Альтернативная точка зрения, предложенная Яковом Зельдовичем, основывалась на том, что Вселенная родилась холодной. В этом случае ее средняя температура никогда не превышала температуры ионизации атомов водорода, она никогда не была заполнена протонно-электронной плазмой, не было момента рекомбинации, и, соответственно, не было реликтового излучения. Открытие реликтового излучения расставило все точки над i. Вселенная не только родилась, но и родилась горячей или стала таковой за мельчайшую долю секунды.

Итак, на самых ранних этапах своего существования Вселенная была очень горячей, но температура во время ее расширения падала. Довольно быстро образовались протоны и альфа-частицы, которые являются также ядрами водорода и гелия. Вместе с электронами они существовали в виде высокотемпературной плазмы, которая поглощала свет и другое электромагнитное излучение Вселенной. Вселенная постепенно охлаждалась, и через примерно 380 000 лет после Большого взрыва ее температура достигла температуры ионизации водорода (3000 K). Замедлившиеся электроны объединились с замедлившимися протонами и альфа-частицами, образовав атомы водорода и гелия. Этот процесс называется рекомбинацией. Материя, заполняющая Вселенную, перешла из плазмы в газообразное состояние. Вселенная быстро стала прозрачной для света и с тех пор навсегда оставалась таковой.

Тепловое излучение того периода можно наблюдать непосредственно в виде реликта. Первоначально оно имело планковский спектр, т. е. спектр излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры около 3000 К. С этого времени Вселенная расширилась примерно в 1100 раз, а вместе с ней и длины волн этого излучения.

Образование звезд, галактик и квазаров сопровождалось повторным появлением плазмы, появившейся из-за их излучения. Эта так называемая реионизация произошла от 550 до 800 млн лет после Большого взрыва (z от 15 до 6,5) и оказала слабое влияние на спектр реликтового излучения.

Пензиас и Уилсон сделали свое открытие совершенно случайно в ходе настройки сверхчувствительной 6-метровой рупорной антенны, построенной для приема сверхслабых сигналов, отраженных от спутника «Эхо». Этот спутник представлял собой 30,5-метровую надувную полиэтиленовую металлизированную сферу и служил для подтверждения возможности передачи сигналов через космос. В какой-то степени его можно считать прообразом современных телекоммуникационных спутников. Сигналы, отраженные от этого спутника, были настолько слабыми, что для их приема Пензиасу и Уилсону нужно было устранить все возможные помехи. Помимо стандартных методов борьбы с помехами они также охладили приемник жидким гелием до температуры 4 K.

Обработав полученные данные, Пензиас и Уилсон обнаружили слабый, но постоянный и очень загадочный шум с амплитудой, в 100 раз превышающей ожидаемый уровень. Этот шум присутствовал днем и ночью и был равномерно распределен по небесной сфере. Они оценили длину его волны в 7,35 см, что не соответствовало ни одному известному источнику ни на Земле, ни на Солнце, ни в нашей Галактике. Даже после тщательных проверок всего оборудования, а также очистки антенны от голубиных гнезд и помета таинственный шум не исчезал. Именно тогда друг Пензиаса Бернард Бурк познакомил их с теоретиками Робертом Дикке, Джимом Пиблзом и Девидом Вилкинсоном из Принстонского университета, которые поняли истинное значение этого открытия. Забавно, что Пензиас и Уилсон использовали радиометр, разработанный Дикке специально для поисков реликтового излучения, тем самым обойдя создателя этого прибора. Статья Пензиаса и Уилсона «Измерение избыточной антенной температуры на уровне 4080 мегациклов в секунду» принесла им в 1978 г. Нобелевскую премию по физике.

Как ни странно, Пензиас и Уилсон не были первыми, кто обнаружил реликтовое излучение. На самом деле оно было впервые обнаружено в 1941 г. Эндрю Макмилланом, а затем в 1957 г. аспирантом-радиоастрономом Пулковской обсерватории Тиграном Шмаоновым, однако ни один из них не осознал важность открытия. Некоторые историки науки утверждают, что были даже более ранние открытия (см., например, (Ассис и Невес, 1995)), самое старое из них датируется XIX в.

Эта история лишний раз подтверждает важность взаимодействия между теоретиками и экспериментаторами. Ведь, не покажи тогда Бурк Пензиасу препринт статьи Пиблза, это открытие так и осталось бы пылиться на полках архивов. Вспомнили бы о нем лишь спустя много лет, после присуждения другим людям (скорее всего, Дикке, Пиблзу и Вилкинсону) Нобелевской премии за открытие реликтового излучения, как это произошло с открытием Шмаонова, а имена Пензиаса и Уилсона были бы известны лишь их родственникам, друзьям и коллегам да, возможно, немногочисленным исследователям истории науки. Причем Пензиас и Уилсон занимались сугубо прикладными исследованиями, связанными с решением технологической задачи, и присуждение им Нобелевской премии за столь фундаментальный результат является исключительным случаем.

Дальнейшие исследования реликтового излучения показали, что это излучение не так однородно, как казалось вначале. В 1968 г. Мартин Рис и Деннис Сиама, а в 1969 г. Рашид Сюняев и Яков Зельдович теоретически разработали два разных механизма, которые должны приводить к анизотропии[39] реликтового излучения. В 1977 г. Джордж Смут с коллегами экспериментально обнаружил дипольную составляющую анизотропии по данным измерений реликтового излучения с борта высотного самолета-разведчика U-2.