Как работает вселенная. Введение в современную космологию - Сергей Парновский

Результаты, полученные со спутника COBE, оказались настолько важны, что в 2001 г. был запущен новый, более совершенный космический аппарат WMAP[42] (сокращение от Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), блестяще подтвердивший результаты COBE, но с несравненно более высокой точностью. А в 2006 г. главные разработчики эксперимента COBE – Джордж Смут и Джон Мэзэр – получили Нобелевскую премию по физике. Данные экспериментов COBE и WMAP легли в основу большого количества научных исследований, во многом изменив наши представления о Вселенной.

Но история исследования реликтового излучения далека от своего завершения. В 2009 г. был запущен новый космический аппарат «Планк», превосходящий космический аппарат WMAP в 10 раз по чувствительности и в три раза по угловому разрешению. Кроме того, он проводит измерения в большем числе спектральных диапазонов. 5 июля 2011 г. появилось первое изображение всего неба, полученное этим аппаратом.

«Планк» подтвердил результаты COBE и WMAP, за исключением несколько более низкой оценки постоянной Хаббла – 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк против 69,32 ± 0,80 (км/с)/Мпк у WMAP. Это привело к пересмотру значений величин, которые зависят от постоянной Хаббла. Карта температурных флуктуаций[43] (после удаления дипольной составляющей и галактических источников), наблюдаемых миссией «Планк» приведена на рис. 3.1.

Успехи наблюдения реликтового излучения из космоса дополняются наземными исследованиями. Они обеспечивают данные по анизотропии реликтового излучения на меньшем угловом расстоянии, чем могли обеспечить космические аппараты COBE, WMAP и «Планк».

Еще до запуска WMAP, в 1998–1999 гг., был осуществлен эксперимент MAXIMA, представляющий собой блок болометров (приборов, измеряющих энергию падающего электромагнитного излучения), установленных на высотном воздушном шаре. Каждый из двух полетов длительностью 8 часов происходил на высоте 40 км. Угловое разрешение составляло 10 угловых минут. Для сравнения: угловое разрешение WMAP изменяется от 13,2 до 52,8 угловых минут в зависимости от частотного диапазона. Блок приемников охлаждался до температуры 0,1 K при помощи четырехслойной системы охлаждения. Внешний слой охлаждался жидким азотом, два средних – жидким гелием до температуры 2–3 K, а во внутреннем слое использовался жидкий изотоп 3He, обеспечивающий рабочую температуру приемников. К 2000 г. эксперимент обеспечил наиболее точные измерения мелкомасштабных флуктуаций реликтового излучения, хотя и на небольшом участке неба. В частности, на основании данных эксперимента MAXIMA было определено, что плотность обычной материи во Вселенной составляет 4–5 %, что соответствует предсказаниям современной космологической модели.

С этим экспериментом тесно связан эксперимент BOOMERANG, в ходе которого в 1998 г. с помощью телескопа, поднятого над Антарктидой на воздушном шаре на 10 суток, проводилось изучение реликтового излучения. Эксперимент показал, что пространственная геометрия Вселенной должна быть плоской, и поддержал гипотезу о том, что она будет расширяться вечно. Кроме эксперимента BOOMERANG в Антарктиде проводились также и наземные эксперименты по изучению реликтового излучения. Одним из наиболее успешных экспериментов был DASI, который впервые обнаружил и измерил поляризацию реликтового излучения. Впоследствии на его месте был расположен другой прибор – QUaD, продолживший поляриметрические измерения. Наиболее же точные на сегодняшний день измерения реликтового излучения были проведены в рамках эксперимента ACBAR[44].

Что же мы имеем в результате всех этих многочисленных экспериментов? На рис. 3.1 показана карта распределения отклонений температуры реликтового излучения от его среднего значения по данным наблюдений миссии «Планк», взятая с сайта этой миссии. Этот рисунок получен уже после удаления источников, находящихся преимущественно в нашей Галактике. Для этого используются наблюдения в разных диапазонах. На этом рисунке уже убрана дипольная компонента, т. е. распределение температур приведено к системе отсчета, в которой реликтовое излучение наиболее изотропно.

Что же является причиной флуктуаций температуры реликтового излучения? Космологи исходят из предположения, что Вселенная после ее образования была практически полностью однородной. Но, как показал в свое время Евгений Лифшиц, расширяющаяся Вселенная неустойчива и малые отклонения от однородности со временем растут по степенному закону. Растут не только флуктуации плотности, но и флуктуации скоростей и температур. Естественно, все эти флуктуации связаны друг с другом. Области повышенной плотности начинают притягивать к себе окружающее вещество, вызывая отклонения в скорости. Вещество, падая на область с повышенной плотностью, приводит к еще большему повышению контраста плотности.

За 380 000 лет, прошедших от образования Вселенной до появления реликтового излучения, относительные флуктуации хотя и развились, но оставались малыми – на уровне нескольких тысячных процента. Именно эти флуктуации мы и наблюдаем в виде флуктуаций температуры реликтового излучения. Итак, реликтовое излучение является своего рода фотографией ранней Вселенной.

Основным результатом этих многочисленных экспериментов является построение спектра мощности флуктуаций температуры реликтового излучения, приведенный на рис. 3.2, который использует данные, полученные как в космосе, так и на Земле.

Распределение температур по поверхности небесной сферы раскладывается по сферическим гармоникам. В результате получается спектр мощности по номеру гармоники, приведенный на рис. 3.2. На рисунке правый конец спектра дополнен данными наземных измерений. Заметим, что характерный угловой масштаб неоднородностей, соответствующий l-й гармонике, составляет 180°/l. Именно этот график служит отправной точкой для проверки различных космологических теорий. Дело в том, что его форма, а именно – высота и положение максимумов и минимумов – сильно зависит от различных космологических параметров, характеризующих исходное состояние Вселенной. Например, положение первого пика, называемого акустическим, прямо связано с кривизной Вселенной. Эти данные показывают, что или наша Вселенная плоская, или ее кривизна очень мала.