Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли
Чудесным образом в море фотонов космического фонового излучения остались отпечатки вроде ископаемых, остающихся в теле скал несмываемыми знаками эпохи. Последний контакт с веществом, на мгновение отстоящий от финального разрыва, оставил в фотонном море недвусмысленные следы, которые, конечно, несколько сгладились, но все еще позволяют распознать ценную информацию о той эпохе, когда излучение с веществом еще гуляли рука об руку, и даже о более ранней.
Мечта любого ученого – суметь заглянуть так далеко по времени, чтобы непосредственно присутствовать при Большом взрыве, увидеть при помощи своего телескопа, как рождается Вселенная. Если говорить о свете, собственно о фотонах космического микроволнового фонового излучения, то эта мечта нереализуема, так как, добравшись до рубежа в триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, он встретит ту самую стену, непреодолимый барьер, не позволяющий напрямую увидеть, что происходило раньше. Но, как и в Стене Плача, в этой стене тоже есть небольшие полости, щели, смутно распознаваемые в ее кажущейся непроницаемости. Изучая и интерпретируя находимую в них информацию, ученые постигли некоторые тайны того момента, когда началось царство материи в виде вещества, но вместе с этими тайнами они смогли собрать бесценные сведения обо всем том, что происходило перед этим, добравшись до момента первой грандиозной трансформации, отмеченной космической инфляцией, пусть даже только для того, чтобы лишь слегка его коснуться.
Самый подробный рассказ
Космическое микроволновое фоновое излучение – это наиболее ценный для нас источник информации о происхождении Вселенной и ее трансформациях. Начиная с открытия Пензиаса и Уилсона 1964 года, эксперименты, становясь все более изощренными, принесли впечатляющее количество результатов. Космическое микроволновое фоновое излучение можно сравнить со своего рода месторождением, исключительно богатые залежи которого уже снабдили нас невероятным количеством данных. Но предстоит еще копать и копать: мы знаем, что там есть неоткрытые и неразработанные жилы, полные особо ценной информации.
Регистрируя составляющие его низкоэнергетические фотоны по всем направлениям, можно реконструировать изображение всего небесного свода, и уже в нем содержится много информации.
Первая характеристика космического микроволнового фонового излучения – очень высокая однородность. У него спектр излучения абсолютно черного тела, очень слабого, соответствующего температуре Вселенной в 2,72 градуса выше абсолютного нуля. Правильным было бы предположить, что Вселенная ведет себя как огромная и совершенно изолированная печь. Реликтовые фотоны, разлучившись с веществом, продолжали охлаждаться миллиарды лет, но все еще помнят о своем тепловом равновесии с ним, в котором находились на протяжении трехсот восьмидесяти тысяч лет. Поток излучения однороден по всем направлениям, но есть крошечные области, характеризующиеся очень небольшими отклонениями температуры – и они демонстрируют очень специфическую структуру.
Эти неоднородности, или анизотропия распределения температуры, изучены в мельчайших подробностях, поскольку они содержат ценную информацию о том, что происходило в первые мгновения жизни Вселенной. Они, как записки между камнями Стены Плача, могут рассказать нам истории и секреты давнего прошлого. Они следы, впечатанные в потоке фотонов квантовыми флуктуациями, вакуумной пеной, пузырьки которой были безмерно раздуты инфляцией. Бесконечно малые области пространства и промежутки времени расширились до объемов, легко вмещающих скопления галактик. В психоделических небесах, которые воссоздаются самыми современными экспериментами, вроде миссии космической обсерватории “Планк”, завершенной в 2013 году, царство квантовой механики расширяется до межгалактических масштабов.
Старый предрассудок, будто теории Планка и Гейзенберга способны объяснять только поведение бесконечно малых частиц, окончательно отвергнут наблюдательными данными. Космическое микроволновое фоновое излучение представляет собой ясную и хорошо читаемую карту плотности вещества в момент его расставания с излучением. Каждый скачок температуры, как бы мал он ни был, может быть связан с неоднородностью плотности вещества в тот момент, когда фотоны подверглись своему последнему рассеянию, когда они навсегда с веществом расстались. Эта карта дает нам возможность увидеть гигантскую космическую паутину, вдоль нитей которой выстроились первые семена будущих галактик.
Подробно анализируя распределение малых неоднородностей и их размеры, удается добыть очень важную информацию о геометрии Вселенной.
Замкнутая или открытая Вселенная особенным образом искривила бы изображения столь удаленных объектов, потому что в этом случае фотоны распространялись бы по сходящимся или расходящимся траекториям. А из размеров и угловых распределений этих неоднородностей следует недвусмысленное подтверждение того, что наша Вселенная плоская. Это же, в свою очередь, указывает на то, что плотность материи очень близка к критическому значению. Космическое микроволновое фоновое излучение дает, таким образом, еще одну возможность убедиться, что в нашей Вселенной есть и темная материя, и темная энергия, причем в соотношении, которое мы сегодня можем точно установить. Самые последние данные говорят, что Вселенная на 68 % состоит из темной энергии и на 27 % – из темной материи; лишь 5 % приходятся на обычное вещество.
С помощью компьютерной симуляции эффектов искажения изображений, вызываемых искривлениями пространства-времени темной материей, можно построить карту ее распределения. Эффект гравитационных линз дает нам возможность построить даже трехмерное распределение темной материи во Вселенной. Подробное знание того, каким образом устроена эта тонкая космическая паутина, позволяет нам лучше понять механизмы формирования первых звезд и первых галактик.
Количественный анализ распределения первичных температурных флуктуаций в космическом микроволновом фоновом излучении представляет одно из наиболее надежных подтверждений теории инфляции. И все же в скором времени ожидаются новые, еще более полные результаты, связанные с измерениями его поляризации.
Поляризация излучения показывает, есть ли у электромагнитных колебаний какое-то преимущественное направление. Это то же самое явление, которое обеспечило успех солнцезащитным очкам фирмы Polaroid. Солнечные лучи, например, отразившись от поверхности воды, становятся поляризованными, то есть электромагнитное поле после этого колеблется только в горизонтальной плоскости. Если использовать вертикальный фильтр, молекулы в котором расположены так, чтобы пропускать только те волны, где электрический вектор колеблется в вертикальном направлении, раздражающие глаз блики от воды будут подавлены. Поляризационные линзы делаются из стекла или пластика с поляризационными молекулами внутри, благодаря чему проходящий через них свет будет избавлен от большей части бликов и других дефектов.
Космическое микроволновое фоновое излучение поляризовано взаимодействием с материальной средой и поэтому несет в себе дополнительную информацию об истории космоса. Оно хранит в себе что-то еще о последнем контакте излучения с веществом. Типы линейной поляризации могут быть связаны с плотностью вещества, снабжая нас, например, новыми деталями о распределении темной
