Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

В предшествующей истории космоса фоновое излучение было теплее, чем нынешнее, весьма холодное, с температурой всего 2,7 К. По мере расширения Вселенной длина волны любого излучения возрастает: волна растягивается вместе со Вселенной. Но при этом замечательно то, что сохраняется чернотельный спектр излучения, хотя его температура снижается: она уменьшается обратно пропорционально размеру Вселенной.

В эпоху, когда излучение освободилось от взаимодействия с веществом, температура газа составляла примерно 3000 К. С того момента это излучение начало свободно распространяться в нашу сторону, а Вселенная за это время расширилась в 3000/2,7 = 1100 раз во всех направлениях. Когда излучение тронулось в путь, возраст Вселенной был около 400 000 лет. А незадолго до этого момента случилось еще одно важное событие: в более раннюю эпоху главным космическим «элементом» было излучение, но как раз тогда его заменило в этой роли вещество. Поэтому космическое микроволновое излучение несет информацию об эпохе, когда произошла эта смена основного компонента Вселенной.

Используя формулу Эйнштейна (Е = mс2), мы можем вычислить энергию вещества, содержащуюся в некотором объеме пространства, и сравнить ее с энергией излучения в том же объеме. Эти две различные формы энергии реагируют на расширение пространства по-разному: излучение ослабевает быстрее, чем вещество. Может показаться, что неважно, в какой форме была космическая энергия: в форме излучения или вещества. Но это не так. Только вещество может образовать структуры, излучение же распределяется однородно. В мире, которым управляет излучение, не могли бы возникнуть реальные объекты, в том числе и мы с вами. Излучение разогнало бы материю при ее попытках сконцентрироваться.

Астрономические наблюдения обращены в прошлое. Чем дальше источник приходящего к нам света, тем более давнюю историю он нам рассказывает. Космическое микроволновое излучение приносит информацию об эпохе, удаленной на 14 млрд лет. Оно рассказывает нам о главном событии в истории Вселенной — о рождении первых атомов. До этого момента электроны и атомные ядра двигались независимо друг от друга (то есть газ был ионизован). Лишь после того, как плотность и температура достаточно снизились, электроны смогли занять свои стабильные места на орбитах вокруг ядер. Когда электроны оказались связанными в атомах, Вселенная стала прозрачной и свет получил возможность переносить информацию на большие расстояния. В нашу эпоху эти новости о том древнем событии составляют лишь малую часть шума, мешающего радио-и телевизионному вещанию (рис. 24.5).

Рис. 24.5. (а) В эпоху молодости Вселенной фотоны космического излучения не допускали формирования атомов водорода из протонов (+) и электронов (-). (6) Когда излучение ослабло, смогли образоваться атомы. В этот момент пространство стало прозрачным настолько, что фотоны смогли почти свободно перемещаться между атомами.

Кроме того, что фоновое излучение рассказывает нам о рождении атомов водорода, это к тому же исторический документ, рассказывающий о структуре мира в ту эпоху. Прочесть этот документ не так-то легко: структурные детали очень слабы — на уровне 0,00001 интенсивности излучения. Чтобы их заметить, понадобились спутники на околоземной орбите. Пионерами в этом деле были российская космическая обсерватория «Реликт-1» и американский спутник СОВЕ. Группа под руководством Джорджа Смута из Калифорнийского университета в Беркли объявила о результатах эксперимента СОВЕ в апреле 1992 года (позже выяснилось, что «Реликт-1» видел те же структуры, хотя и не так четко). Резко улучшил качество измерений американский спутник WМАР в 2003 году, но еще раньше начался вал открытий по результатам наблюдений с высотных аэростатов и наземных обсерваторий, расположенных в местах с подходящим климатом (например, в Антарктиде).

Теоретики ожидали, что наиболее заметные пятна с избытком излучения на микроволновом небе должны иметь угловой размер Луны. Легко понять, что размер таких пятен зависит от геометрии Вселенной. Мы уже объясняли в главе 15, что угол, под которым виден далекий объект, зависит от кривизны пространства. В сферическом пространстве объект кажется больше, чем в плоской эвклидовой Вселенной, а в гиперболическом пространстве он кажется меньше. Таким образом, измеряя размер пятен микроволнового излучения, можно точно измерить общую геометрию (рис. 24.6).

Рис. 24.6. Мельчайшие вариации температуры космического фонового излучения, измеренные в эксперименте «Бумеранг» на участке неба размером 10 x 20 квадратных градусов. Характерный угловой размер неоднородностей, около 1°, свидетельствует, что пространственная геометрия Вселенной плоская. Credit: The Boomerang Collaboration.

Первые сведения о существовании пятен предпочтительного размера поступили в 1993–1995 годах от сотрудников Института Макса Планка (Германия) и Принстонского университета (США), наблюдавших это на телескопе в г. Саскатун (Канада). А убедительные измерения были проведены в 1998 году с аэростатов: экспериментом Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics, Баллонные наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и решение задач геофизики) руководили А. Ланге (Калифорнийский технологический институт) и П. де Бернардис (Римский университет), а экспериментом Maxima (Millimeter-wave Anisotropy Experiment Imaging Array, Эксперимент по картированию анизотропии в микроволновом диапазоне) — П. Ричардс (Калифорнийский университет в Беркли). Эти наблюдения показали, что предпочтительный размер пятен фонового излучения соответствует плоской Вселенной. Наконец, космическая обсерватория WMAP (большой коллектив под руководством Чарлза Беннетта из Годдардовского центра космических полетов и Университета Джонса Гопкинса) подтвердила предыдущие результаты с более высокой точностью и измерила параметр Ω = 1,02 ± 0,02. Значение Ω = 1 соответствует плоской Вселенной, Ω > 1 говорит о сферическом пространстве, а Ω <1 указывает на гиперболическую геометрию. Таким образом, наше пространство должно быть почти точно эвклидовым, и любое отклонение от плоскостности — очень малым (рис. 24.7).

Рис. 24.7. Сравнение наилучшей космологической модели с бесконечной протяженностью и плоской геометрией (непрерывная линия) с измерениями космического микроволнового фонового излучения, полученными космической обсерваторией WMAP и другими приборами (точки с «усами» ошибок). Угловой масштаб вариаций указан в верхней части рисунка. Источник: NASA.

Значительная часть первых 100 000 лет космической истории прошла при доминировании излучения. Вселенная была иной и очень простой: ее заполнял однородный газ, всюду нагретый до одинаково высокой температуры. По мере расширения Вселенной температура и плотность газа снижались. Постепенно эпоха, когда всем управляло излучение, подходила к концу. Но если отправиться в прошлое, к самому началу, когда после Большого взрыва прошло всего несколько минут, то температура в то время была выше» чем в центре Солнца. Поражает воображение, что тогда по всей Вселенной происходили ядерные реакции, похожие на те, что в наши дни генерируют энергию Солнца. Слияние протонов и нейтронов рождало ядра дейтерия, которые после столкновений друг с другом и протонами превращались в гелий.

Количество образовавшегося гелия в первую очередь зависит от соотношения числа нейтронов и протонов. Через 100 секунд после Большого взрыва, когда температура опустилась до миллиарда градусов, на каждые 6 нейтронов было 42 протона. Эти шесть нейтронов соединялись с шестью протонами и образовывали шесть ядер дейтерия, которые затем превращались в три ядра гелия. В результате получалось 36 ядер водорода (протонов) на каждые 3 ядра гелия. Относительные доли гелия и водорода (по массе) составили при этом 4 х 3/48 = 25 % для гелия и 36/48 = 75 % для водорода (поскольку ядра Не вчетверо тяжелее ядер H). По истечении 200 секунд после Большого взрыва, когда температура упала до 700 млн К, реакция синтеза гелия закончилась, и это соотношение гелия и водорода осталось неизменным во всех частях Вселенной.

Давайте продвинемся еще дальше в прошлое. С момента Большого взрыва до наших дней прошло 14 млрд лет, первые атомы родились через 400 000 лет, а весь гелий образовался примерно к концу третьей минуты. А в течение первой секунды Вселенная состояла практически из одинакового количества вещества и антивещества. Современный мир почти весь из вещества, тогда как частицы антивещества очень редки и короткоживущи. Когда сталкиваются частица и античастица, обе они исчезают — аннигилируют, превращаясь в излучение. В современном мире нелегко быть античастицей: притаившиеся в каждом углу частицы готовы в момент разделаться с античастицей.