Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Но в итоге их обставили. Шел 1964 год, самое начало космической эры, и компания Bell Laboratories начинала продумывать, как использовать искусственные спутники для дальнодействующей коммуникации. Двое научных сотрудников из Bell Laboratories, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, исследовали, можно ли организовать спутниковую коммуникацию в микроволновом диапазоне, и пытались охарактеризовать космическое излучение, наблюдаемое на такой длине волн. Они пользовались большим радиотелескопом, установленным в кампусе Bell Laboratories в городе Холмдел, штат Нью-Джерси. Как же они удивились, обнаружив, что со всего неба льется микроволновое излучение – куда бы они ни направляли телескоп. Когда новость об этом дошла до Принстона, там поняли, что Пензиас и Вильсон открыли космический микроволновый фон – теоретически предсказанное реликтовое излучение (РИ). Две статьи – принстонская с этим прогнозом и статья Пензиаса и Вильсона с описанием открытия – были одна за другой опуликованы в майском номере The Astrophysical Journal за 1965 год.

Такие результаты позволили подтвердить наблюдениями еще один фундаментальный прогноз модели Большого взрыва. Когда Вселенной было 380 000 лет, РИ лилось из каждой ее точки – соответственно оно должно поступать сразу со всего неба и везде иметь одинаковую интенсивность. Действительно, это наблюдение напоминает нам, что Большой взрыв произошел сразу и везде, центра как такового у него не было, поэтому остаточное тепловое излучение Большого взрыва одинаково льется со всего неба. В 1967 году Пензиас и Вильсон опубликовали статью с описанием пределов изменчивости силы этого излучения по всему небу, предел составил несколько процентов. По мере того как совершенствовались технологии, измерения стали гораздо точнее, и ниже мы увидим, что это излучение отличается умопомрачительной однородностью: отклонения от него встречаются с частотой 1 к 105.

В своей первой статье от 1948 года Альфер и Герман прогнозировали, что температура спектра абсолютно черного тела у РИ должна быть около 5 К. В исходной статье Пензиаса и Вильсона указана величина 3,5 К (позже уточненная до 2,725 К). Эта цифра была поразительно близка к исходной оценке Альфера и Германа. Открытие РИ убедило астрономическое сообщество в правильности модели Большого взрыва. К примеру, модель неизменной Вселенной, которую отстаивал Фред Хойл, не может естественным образом объяснить РИ, но РИ – прямое и неизбежное следствие модели Большого взрыва. Именно так и развивается наука. Ученые постоянно проверяют идеи на прочность, чтобы убедиться в их правильности. В 1978 году Пензиас и Вильсон за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по физике.

В 1965 году научная карьера Пиблса и Уилкинсона только начиналась. После открытия РИ они решили посвятить себя космологии, изучению Вселенной в целом. Джим Пиблс стал одним из виднейших теоретиков, работающих в этой области. Дэйв Уилкинсон еще точнее измерил РИ, сначала при помощи наземных радиотелескопов, а затем – при помощи спутников, собиравших информацию прямо в космосе. (Должен упомянуть, что Уилкинсон – мой научный дедушка. Мой научный руководитель Марк Дэвис, под руководством которого я писал докторскую, защитил свою докторскую под руководством Дэйва Уилкинсона в 1974 году.)

Сначала Уилкинсон пытался ответить на такой вопрос: на самом ли деле РИ обладает спектром абсолютно черного тела? Он был одним из ведущих научных сотрудников, работавших над спутником NASA «Исследователь космического фонового излучения» (COBE), спроектированным для высокоточного измерения спектра РИ. Проект превосходно удался: спектр РИ, измеренный COBE, отлично совпал с формулой спектра абсолютно черного тела, с минимальными погрешностями. Этот эксперимент был назван «самым точным измерением спектра абсолютно черного тела в природе» (рис. 15.1).

Далее Уилкинсон взялся за следующий большой вопрос: насколько однородно РИ, то есть обладает ли оно одинаковой интенсивностью (или, что аналогично, одинаковой температурой) во всех направлениях? Космологический принцип, предполагающий, что в максимальных масштабах Вселенная должна быть очень однородной, влечет исключительную изотропность[21] РИ.

Рис. 15.1. Предварительные результаты измерения спектра реликтового излучения (РИ), полученные при помощи спутника COBE. Дэвид Уилкинсон продемонстрировал этот спектр на лекции, прочитанной в Принстоне в 1990 году, и зал взорвался аплодисментами. График поразительно точно совпадает с теоретической планковской кривой спектра абсолютно черного тела. (На схеме планковская кривая спектра абсолютно черного тела [непрерывная линия] отложена по линейным шкалам, а данные, демонстрирующие предел ошибки при наблюдениях, даны в виде квадратиков. Планковские спектры абсолютно черного тела, показанные в главах 4 и 5, построены в логарифмическом масштабе, поэтому выглядят немного иначе.) График из архива Ричарда Готта

Первые измерения Пензиаса и Вильсона позволяли лишь в самых общих чертах (в пределах нескольких процентов) сориентироваться, насколько оно изотропное, но к 1970-м годам Уилкинсон и другие открыли, что температура РИ не вполне одинакова по всем направлениям, а слегка варьируется в разных точках неба, изменяясь примерно на 0,006 К. Вскоре стало очевидно, в чем причина таких вариаций. Наряду с относительным движением галактик, связанным с общим расширением Вселенной, галактики могут двигаться и независимо, поскольку между ними существует взаимное гравитационное притяжение. Кроме того, само Солнце вращается вокруг центра нашей Галактики. Все эти движения сообщают Солнцу скорость около 300 км/c относительно основной массы материи во Вселенной, от которой исходит РИ. Поэтому в РИ возникает доплеровское смещение примерно на одну тысячную (поскольку 300 км/c – это 1/1000 скорости света). РИ имеет небольшое синее смещение в направлении нашего движения и небольшое красное смещение – в противоположном направлении, а его средние значения слегка варьируются, что мы и наблюдаем.

Здесь давайте сделаем паузу и еще раз озвучим, какие разнообразные варианты движения мы одновременно претерпеваем, пусть нам и кажется, что мы спокойно сидим на месте. Земля вращается вокруг своей оси; на североамериканских широтах скорость такого вращения составляет примерно 270 м/c. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/c. Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути со скоростью 270 км/c, а Млечный Путь и галактика Андромеды летят навстречу друг другу со скоростью около 100 км/c. Наконец, обе эти галактики вместе движутся со скоростью почти 600 км/c относительно средней скорости всей материи в наблюдаемой части Вселенной. Сложив все эти различные разнонаправленные движения, получим, что Солнце движется относительно РИ со скоростью около 300 км/c. На самом деле, просто мурашки по коже, когда представляешь все это и понимаешь, что видишь перед собой доказательство слов Галилея, уточненных при помощи теорий Эйнштейна: важны именно относительные движения. Без сложных астрономических измерений нам кажется, что мы просто сидим на месте.