Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Спутник «Эхо-1» — надувной радиоотражающий шар в космосе, ракетой доставленный на орбиту в 1960 году для экспериментов в области спутниковой связи.
Так было открыто микроволновое (или фоновое) излучение, как оно называется в англоязычной литературе. Выдающийся советский астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1985) предложил для него удачное название «реликтовое излучение».
Рупорная антенна, принимавшая отраженный сигнал от спутника «Эхо-1».
В 1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике «за открытие космического микроволнового излучения». Как написал по этому поводу выдающийся физик Стивен Хокинг (1942–2018), «это было не совсем справедливо, если вспомнить о Дикке и Пиблсе[45], не говоря уже о Гамове!» Впрочем, Джордж Гамов не мог получить премию в 1978 году, он ушел из жизни десятью годами раньше, а Нобелевские премии посмертно не присуждаются.
Но надо отдать должное открывателям. В своей нобелевской речи Арно Пензиас сказал следующее:
«Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 года в краткой статье А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова, озаглавленной “Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии”. Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале “Советская физика — Доклады”, статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории “Белл” в Кроуфорд-Хилл как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!»
В зарубежных современных книгах роль советских исследователей почти не отмечается, разве что упоминается, что такие работы были сделаны. Так уж получилось, что эти статьи не повлияли на подготовку и осуществление открытия реликтового излучения.
До открытия реликтового излучения можно было спорить о теории Гамова, рассуждать, верна она или нет, но после открытия эти споры стали бессмысленными. Факт существования реликтового излучения доказывает гипотезу о горячем состоянии Вселенной в начале ее существования и является вторым (после открытия красного смещения в спектрах галактик) доказательством того, что Большой взрыв действительно был. Объяснить реликтовое излучение иным способом оказалось невозможно.
Это не излучение отдельных небесных тел или их систем (звезд и звездных скоплений). Реликтовое излучение идет от всего неба, причем отовсюду одинаковое — с точностью до сотых долей процента. Этот факт подтверждает изначальные предположения Эйнштейна и Фридмана: Вселенная однородна и изотропна, причем она была такой с самого начала своего существования. Ведь реликтовое излучение, согласно расчетам, родилось буквально спустя одну стотысячную секунды после Большого взрыва и получило возможность свободно распространяться примерно через 380 тысяч лет после этого, когда Вселенная стала прозрачной для фотонов.
Анализ спектра реликтового излучения привел астрофизиков к следующему выводу. Оно было испущено раскаленной материей молодой и горячей Вселенной, в которой еще не было (и не могло быть) никаких звезд и планет. Это была раскаленная, хорошо перемешанная смесь электромагнитного излучения и элементарных частиц. За миллиарды лет излучение в расширяющейся Вселенной «остыло», но никуда не делось — Вселенная и сейчас им наполнена. В любой точке Вселенной можно регистрировать приходящее со всех сторон излучение. Источниками этого излучения были все точки Вселенной, включая ту, где сейчас находится наша Солнечная система. Это означает, что где-то в миллиардах световых лет от нас какие-нибудь наши братья по разуму сейчас могут регистрировать реликтовое излучение, которое испустила очень давно та точка, в которой сейчас находимся мы. Излучение от более близких точек уже давно прошло сквозь Солнечную систему. Излучение от более далеких точек нам предстоит принимать в будущем. Это излучение никогда не иссякнет именно потому, что когда-то его излучали все точки гигантской Вселенной.
Для точных измерений свойств реликтового излучения ученые стали размещать приборы на спутниках, выводя их за пределы земной атмосферы, вносящей помехи. Первый комплект аппаратуры «Реликт-1», специально предназначенной для регистрации древнего излучения, сформировавшегося вскоре после Большого взрыва, был установлен на советском научном спутнике «Прогноз-9» в 1983 году. Однако чувствительность приборов оказалась недостаточной, чтобы почувствовать некоторые важные особенности этого излучения. Зато их заметил знаменитый американский спутник COBE[46], запущенный в 1989 году, а позже уточнили спутники WMAP и «Планк». Продолжались и наземные эксперименты со всевозрастающей точностью измерений.
У реликтового излучения обнаружились следующие особенности. Оно оказалось не абсолютно однородным. В каких-то направлениях интенсивность излучения оказалась немного (на тысячные доли процента) выше среднего фона, в каких-то — ниже. Сияние неба на длине волны реликтового излучения слегка неоднородно — оно как бы покрыто слабой рябью. Это значит, что в каких-то направлениях температура излучения была чуть выше, в каких-то — чуть ниже среднего уровня. В раскаленной начальной Вселенной присутствовали небольшие отклонения от средней температуры и средней плотности — флуктуации.
Если обратиться к современным наблюдениям (спустя 13,8 миллиарда лет после того, как было испущено реликтовое излучение), мы увидим, что Вселенная не абсолютно однородна. Вещество сконцентрировано в звездах, звезды объединены в галактики. Галактики имеют тенденцию скучиваться в скопления и сверхскопления галактик, а между скоплениями галактик наблюдаются гигантские пустоты — войды размерами в сотни миллионов парсек. В войдах практически нет галактик. На более крупных масштабах Вселенная действительно однородна: во всех направлениях скопления галактик и войды между ними распределены примерно равномерно, образуя гигантскую ячеистую структуру, похожую на сетку или паутину. Ячейки этой сетки, построенные из скоплений галактик, приблизительно одинаковы.
Ячеистая крупномасштабная структура Вселенной. Заметны гигантские пустоты между скоплениями галактик, ассоциированных в нитевидные структуры.
Но на меньших масштабах Вселенная оказалась не совсем однородной. Не может ли слабая рябь на карте распределения реликтового излучения по небу оказаться связанной с неоднородностью в виде галактик?
Это была вполне разумная гипотеза. Если бы материя Вселенной была распределена абсолютно равномерно, не было бы никаких галактик и звезд — Вселенная представляла бы собой газ из элементарных частиц, погруженных в электромагнитное излучение, и плотность этого газа была бы везде одинаковой. Такая Вселенная была бы неинтересной: в ней не было бы никаких сгущений типа звезд, планет, пылевых облаков, астероидов, комет, а также ни автора, ни читателей этой книги[47].
Тем не менее наша Вселенная явно не такая. Для физиков это вполне объяснимо. Дело в том, что абсолютно одинаковой
