Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уильям Уоллер

Другая теория, которую в 1940-х и 1950-х годах впервые изложил в общедоступной форме Георгий Гамов, постулировала противоположную картину. Согласно ей, наша Вселенная расширялась, истончалась и охлаждалась после эпохи невероятно высокой плотности и температуры, завершившейся несколько миллиардов лет назад. Эта теория Большого взрыва также учитывала скорость расширения, количественно определяемую постоянной Хаббла (Ho), но переворачивала ее, тем самым возвращая расширение к его горячему началу. Минувшее с того момента хаббловское время (Т = 1/Ho), рассчитанное в соответствии с наилучшими оценками постоянной Хаббла, доступными на тот момент, варьировалось от 10 до 20 млрд лет. С более короткими временными рамками были свои сложности, поскольку возраст некоторых шаровых звездных скоплений, по всей видимости, превышал этот жесткий предел. Как звездное скопление могло быть старше Вселенной, которая его породила? Обе теории привлекали сторонников вплоть до 1964 года, когда был открыт космический микроволновый фон, также называемый реликтовым излучением.

Это стало неопровержимым свидетельством, подтвердившим, что ранняя Вселенная радикально отличалась от той, которую мы видим сегодня. Еще в 1940-х годах физики предсказали, что это остаточное излучение должно было сохраниться от горячего зарождения Вселенной. Они также признавали, что в результате расширения Вселенной длины волн излучения должны были бы растянуться — иными словами, тому, что начиналось как оранжевое свечение ионизированной плазмы при температуре в несколько тысяч градусов, со временем предстояло превратиться в слабое микроволновое «шипение» при очень низкой температуре, всего на несколько градусов превышающей величину абсолютного нуля. Именно его обнаружили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работая с 15-метровой рупорной антенной в городке Холмдейл, штат Нью-Джерси, на вершине холма Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Вильсон, ученые из лаборатории Белла, тестировали антенну для нужд спутниковой связи и немного занимались радиоастрономией. Сначала они подумали, что сигнал — это шум, исходящий от какой-то части устройства, и только устранив все возможные источники шума, в том числе и птичий помет внутри антенны, они пришли к выводу, что сигнал исходил из космоса. Это «фоновое» излучение, охватывающее все небо, с тех пор было признано остаточным свечением от Большого взрыва — так свершилось удивительное открытие, которое принесло Пензиасу и Вильсону Нобелевскую премию по физике 1978 года.

С момента открытия космический микроволновый фон измеряли и описывали все точнее. Его спектр соответствует спектру идеального теплового излучателя (черного тела) при эквивалентной температуре 2,725 К (рис. 9.1). Астрофизики считают, что это излучение наиболее соответствует Вселенной, которая с тех пор, за 13,8 млрд лет, расширилась в 1100 раз. То, что находят наши детекторы — это излучение вещества, которое лишь недавно остыло из состояния ионизированной плазмы и перешло в нейтральное атомное состояние. В ту критически важную эпоху рекомбинации, наступившую всего через 380 000 лет после Большого взрыва, Вселенная стала прозрачной для собственного излучения, и фотоны получили возможность свободно преодолевать пространство, благодаря чему наши приборы теперь могут их обнаруживать. Наиболее точная оценка постоянной Хаббла (72 [км/с]/Мпк), соответствующее хаббловское время (13,6 млрд лет) и соответственно более юный возраст старейших шаровых скоплений (12,7 млрд лет) прекрасно согласуются с возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет, рассчитанным на основе космического микроволнового фона, — и это убеждает астрофизиков в том, что они на правильном пути.

Рис. 9.1. Спектр космического микроволнового фона, измеренный обсерваторией COBE в начале 1990-х годов. Он идентичен спектру абсолютно черного тела при температуре 2,725 К. (Материалы любезно предоставлены C. Bennett, DMR, COBE, GSFC, NASA.)

Чтобы получить истинную картину космического микроволнового фона, астрофизики тщательно вычли другие микроволновые «наложения», исходящие из Млечного Пути и из множества других галактик. Кроме того, им пришлось вводить поправки на доплеровское смещение излучения черного тела по всей небесной сфере, вызванное, во-первых, движением Солнечной системы вокруг Млечного Пути, а во-вторых, движением нашей Галактики относительно космической системы отсчета. Оказалось, что оставшийся космический микроволновый фон необычайно однороден — степень его флуктуации составляет примерно 1 часть на 100 000. Такие показатели однородности характерны для только что уложенного ледового катка. Большинство флуктуаций происходит в угловом размере, составляющем около 1° на небесной сфере (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Вверху: карта космического микроволнового фона на всей небесной сфере, полученная с помощью космического аппарата NASA WMAP, после удаления всех «наложений» от Млечного Пути и других галактик. Внизу: слева крупным планом — снимок, сделанный WMAP; справа — карта того же региона, сделанная более поздним спутником «Планк». На обеих картах видна похожая рябь с угловым размером в 1° — в соответствии с отпечатком акустических волн, проходящих через ионизированную плазму как раз в тот момент, когда расширяющийся космос остывал до нейтрального атомного состояния. Участки повышенной плотности в плазме проявляются в виде сравнительно более темных областей. (Материалы любезно предоставлены: ESA; Planck Collaboration; Научная группа NASA/WMAP.)

Этот характерный угловой размер, а также другие, не столь заметные пики в распределении расстояний говорят астрофизикам о том, что Вселенная исключительно «плоская». Это означает, что два лазерных луча, выпущенных в небо параллельно друг другу, никогда не сойдутся и не разойдутся. Если бы угловые расстояния в космическом микроволновом фоне оказались больше, лучи бы сошлись, подобно меридианам на глобусе, а если меньше — то разошлись бы, как линии на седловой поверхности, расширяющейся книзу (рис. 9.3). Этот почти идеально плоский характер пространства, в свою очередь, указывает на то, что в нашей Вселенной доминирует некий вид темной энергии. В ином случае предполагаемого количества обычной материи, обладающей тяготением, и темной материи не хватило бы на то, чтобы сделать Вселенную плоской. Возможно, интереснее всего то, что распределение угловых расстояний свидетельствует о первозданных условиях, когда Вселенная только возникла из квантового вакуума. Даже тогда космос должен был быть исключительно плоским, одинаковым во всех направлениях (изотропным) и невероятно однородным. И эти ограничения представляют серьезные проблемы для любого космолога, который пытается выяснить, как все началось.

Рис. 9.3. Двумерные аналогии кривизны космоса и их влияние на траектории световых лучей. Вверху: на сферической, или «замкнутой», поверхности две изначально параллельные линии сойдутся в одной точке. С изначально параллельными лазерными лучами произошло бы то же самое. В середине: на плоской поверхности параллельные линии и лазерные лучи останутся параллельными бесконечно. Внизу: на расширяющейся книзу, или «открытой», поверхности и линии, и лазерные лучи, изначально параллельные, будут расходиться. (По источнику: Discovering the Universe, N. F. Comins and W. J. Kaufman III, 4th edition, W. H. Freeman [1997].)

Ключевые эпохи

Если принять во внимание расширение Вселенной и перевести стрелки