Несмотря на применение современных приборов и новейших методов изучения Вселенной, вопрос ее появления все еще остается открытым. В этом нет ничего удивительного, если учесть ее возраст: согласно последним данным, он составляет от 14 до 15 млрд. лет. Очевидно, что с тех пор осталось очень мало свидетельств происходивших когда-то грандиозных процессов Вселенского масштаба. Поэтому утверждать что-либо никто не решается, ограничиваясь гипотезами. Однако одна из них с недавних пор получила весьма существенный аргумент - реликтовое излучение.

В 1964 году два сотрудника одной известной лаборатории, выполнявшие радионаблюдение за спутником «Эхо», имея доступ к соответствующему сверхчувствительному оборудованию, решили проверить некоторые свои теории относительно собственного радиоизлучения определенных космических объектов.

Для того чтобы отсеять возможные помехи от наземных источников, было решено использовать в 7,35 см. Однако после включения и настройки антенны было зарегистрировано странное явление: во всей Вселенной фиксировался некий шум, постоянная фоновая составляющая. Она не зависела ни от положения Земли относительно других планет, что сразу отсеяло предположение о радиопомехах этих ни от времени суток. Ни Р. Вилсон, ни А. Пензиас даже не догадывались, что открыли реликтовое излучение вселенной.

Так как никто из них не предполагал подобного, списывая «фон» на особенности аппаратуры (достаточно вспомнить, что используемая СВЧ-антенна была самой чувствительной в то время), минул почти целый год, пока стало очевидным - регистрируемый шум является частью самой Вселенной. Интенсивность улавливаемого радиосигнала оказалась практически идентичной интенсивности излучения температурой в 3 Кельвина (1 Кельвин равен -273 градуса по Цельсию). Для сравнения: нуль по Кельвину соответствует температуре объекта из неподвижных атомов. находится в пределах от 500 МГц до 500 ГГц.

В это время два теоретика из Принстонского университета - Р. Дикке и Д. Пибблс, основываясь на новых моделях развития Вселенной, математически вычислили, что подобное излучение должно существовать и пронизывать все пространство. Стоит ли говорить, что Пензиас, случайно узнавший о лекциях на эту тему, связался с университетом и сообщил, реликтовое излучение и было зарегистрировано.

Исходя из теории Большого Взрыва, вся материя и возникла в результате колоссального взрыва. Первые 300 тыс. лет после этого пространство представляло собой комбинацию элементарных частиц и излучений. Впоследствии из-за расширения температуры стали падать, что дало возможность появиться атомам. Регистрируемое реликтовое излучение - это отголосок тех далеких времен. Пока вселенная обладала границами, плотность частиц была столь высокой, что излучение оказывалось «связанным», так как масса частиц отражала любые виды волн, не позволяя им распространяться. И лишь после начала образования атомов пространство стало «прозрачным» для волн. Считается, что реликтовое излучение появилось именно так. В настоящий момент в каждом кубическом сантиметре пространства содержится около 500 первоначальных квантов, правда, их энергия уменьшилась почти в 100 раз.

Реликтовое излучение на различных участках Вселенной имеет разную температуру. Это обусловлено расположением первичного вещества в расширяющейся Вселенной. Там, где плотность атомов будущей материи была выше, доля излучения, а значит его температура, уменьшена. Именно в этих направлениях впоследствии образовались крупные объекты (галактики и их скопления).

Изучение реликтового излучения приподнимает завесу неизвестности над многими процессами, происходящими в начале времен.

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.

Открытие реликтового излучения Вселенной

Предисловие

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ , космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно чёрного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270°C). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиово́лны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3 . Радиоастроно́мы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновы́м фоновым излучением» (М. ф. и.) 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. Далее мы будем называть это излучение «реликтовым». Открытие в 1965 году реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания двадцатого века и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несёт нам све́дения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней ещё не существовало ни планет, ни звёзд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосфе́рных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого́ рождения Вселенной.

Открытие реликтового излучения

В 1960 году́ в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приёма радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 го́ду 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 её для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приёмным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих из космоса.

В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвёздной среды́ нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пе́нзиас 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 расчётам, 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, некоторый радиошум ожидался на такой длине волны́ и от земной атмосферы, но этот шум должен был 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 само́й Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение.

Микроволново́й шум

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 от 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 микроволново́го шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиово́лны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объёма 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 угнезди́лась 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 утихоми́рены 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 года 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 учтены́, 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 нагре́то 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 приятелю Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тернера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Фи́лом Пиблслом, 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 года были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением при помощи теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убеждённые 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 году. 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 .

Уважаемые посетители!

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.