Книга: Занимательная астрофизика

Излучение из прошлого

Излучение из прошлого

В 1947 г. известный физик-теоретик Г. Гамов выдвинул идею, согласно которой наша Вселенная на начальной стадии своего существования была «горячей». Она возникла в результате расширения сверхплотной горячей плазмы, обладавшей колоссальной температурой порядка десятков, а возможно, и сотен миллиардов кельвинов и чудовищной плотностью около 10⁹⁵ г/см³, что на 81 порядок выше плотности атомного ядра.

Это был не обычный взрыв, который начинается из определенного центра и постепенно охватывает все большие области пространства, а взрыв, который, по образному выражению известного американского физика-теоретика С. Вайнберга, произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы [10]).

Иными словами, другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало. И начальный взрыв был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства.

Дальнейшее формирование структуры Вселенной связано с расширением сверхплотного состояния — расширением, которое началось около 15–20 млрд. лет назад — и с теми физическими процессами, которыми оно сопровождалось.

Об эпохе, закончившейся примерно через миллион лет после «Большого взрыва», мы получаем прямую информацию благодаря открытию реликтового излучения, возникшего на ранней стадии расширения.

История обнаружения этого излучения довольно любопытна. Его в некотором смысле случайно впервые зарегистрировали американские радиофизики А. Пензиас и Р. Вильсон, которым 13 лет спустя за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

Первые попытки обнаружить радиоизлучение, идущее из глубины времен, и тем самым подтвердить теорию горячей расширяющейся Вселенной относятся к началу шестидесятых годов. Осенью 1964 г. известный американский физик Р. Дикке и его сотрудники в Принстонском университете приступили к созданию установки для обнаружения реликтового излучения.

В то же самое время Пензиас и Вильсон по заданию известной радиотелефонной фирмы «Белл» занимались изучением характеристик новой радиоастрономической антенны, предназначавшейся для системы радиосвязи через искусственные спутники Земли. Эта система и связанная с ней аппаратура отличались очень хорошей защитой от помех и низкой шумовой температурой, т. е. сами приемные устройства вносили в результаты измерений минимальные искажения. Такого результата удалось достичь благодаря специальной конструкции приемной аппаратуры с усилителем на рубиновом кристалле, охлажденном жидким гелием.

В процессе работы ученые обнаружили неожиданную помеху — непонятный шумовой фон на волне длиной 7,3 см. Дальнейшие измерения показали, что загадочный радиошум не зависит ни от направления системы, ни от времени суток и года. Это указывало на его космическое происхождение.

В мае 1965 г. статья Пензиаса и Вильсона, в которой сообщались результаты исследований неизвестного излучения, однако без объяснения его физической природы, была опубликована в «Астрофизическом журнале». Объяснение в том же номере журнала дала группа Р. Дикке, истолковавшая таинственный шумовой фон как реликтовое излучение.

Кстати сказать, образный термин «реликтовое» был предложен И. С. Шкловским.

Справедливость, однако, требует отметить, что еще до появления статей в «Астрофизическом журнале» была опубликована весьма интересная работа советских астрофизиков И. Д. Новикова и А. Г. Дорошкевича, в которой обосновывается возможность практической регистрации реликтового радиоизлучения. Авторы статьи впервые рассчитали весь спектр излучения от известных в то время источников радиоизлучения во Вселенной с учетом их эволюции в процессе расширения и показали, как на их фоне должно выглядеть реликтовое излучение. При этом они пришли к выводу, что в области сантиметровых и миллиметровых волн это излучение может быть практически обнаружено. Как мы видели, действительность подтвердила это предсказание.

Таким образом, открытие реликтового излучения является еще одним блестящим примером научного предвидения, которыми так богата история естествознания, в особенности физики и астрономии.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение постепенно остывало, и его современная температура составляет около 3 кельвинов.

В настоящее время его исследованиями занимаются радиоастрономы на многих радиотелескопах мира, в том числе на гигантском советском радиотелескопе РАТАН-600. Оно зарегистрировано на волнах длиной 20,7; 3,2; 1,5; 0,26 см. Температура реликтового излучения на всех длинах волн оказалась равна 3 К, максимум интенсивности лежит в области миллиметровых волн.

Многократные измерения интенсивности реликтового излучения в различных направлениях показали, что с точностью до десятых долей процента оно и изотропно. Это значит, что куда бы мы ни направили наш радиотелескоп, интенсивность реликтового излучения окажется практически одинаковой. Этот факт как раз и свидетельствует о том, что излучение, о котором идет речь, действительно является реликтовым, а не возникшим в каких-либо обособленных дискретных источниках.

Исследование физических характеристик реликтового излучения показало, что первоначальная плазма обладала чрезвычайно высокой температурой. Тем самым было получено важное подтверждение справедливости теории горячей расширяющейся Вселенной.

Однако всем сказанным значение реликтового излучения для познания окружающего нас мира не ограничивается. Так, например, исследование этого излучения позволило получить данные, которые являются независимым подтверждением фундаментального вывода современной астрофизики об однородности нашей Вселенной в больших масштабах, об отсутствии систем большего масштаба; чем сверхскопления галактик. Если бы в окружающем нас мире существовали достаточно большие регионы с повышенной плотностью вещества, сравнимые по своим размерам со всей наблюдаемой областью пространства, то в этих регионах реликтовое излучение испытывало бы определенные изменения.

Дело в том, что согласно общей теории относительности Эйнштейна должно, существовать так называемое гравитационное красное смещение. — Электромагнитное излучение в сильных гравитационных полях испытывает определенный сдвиг в сторону более длинных волн и низких частот. Этот эффект с большой точностью проверен экспериментально.

Если бы во Вселенной существовали сгущения вещества столь больших масштабов, то их тяготение должно было бы, согласно общей теории относительности, вызвать увеличение длины волны реликтового излучения (гравитационное красное смещение). Иными словами, реликтовое излучение, приходящее к нам с некоторых направлений, было бы «покрасневшим». В общей картине его распределения по всему небу должны были бы существовать «пятна» пониженной интенсивности.

Расчеты показывают: для того чтобы подобные пятна могли быть замечены наиболее крупными современными радиотелескопами, такими, например, как РАТАН-600, размеры сгущений вещества должны иметь масштаб порядка миллиарда световых лет, а их плотность, как можно полагать, должна превосходить средний уровень по меньшей мере на 10 %.

Однако современные радиоастрономические наблюдения соответствующих «пятен» интенсивности реликтового излучения не обнаружили. Видимо, это означает, что сгущений, о которых идет речь, не существует.

Следовательно, в пределах той области пространства, откуда доходит к нам реликтовое излучение, самыми большими структурными образованиями являются сверхскопления галактик поперечником приблизительно до ста миллионов световых лет. В больших масштабах распределение вещества во Вселенной представляется достаточно однородным.

С учетом достигнутой точности наблюдений можно считать, что средняя плотность вещества по достаточно большим областям Вселенной различается не больше, чем на десятые доли процента.

Если верна гипотеза Я. Б. Зельдовича о возникновении скоплений галактик из образований типа «блинов», то, сформировавшись на определенном этапе, такие «блины», определившие ячеистую структуру Вселенной, неизбежно должны были повлиять и на характер реликтового излучения. В его распределении по небесной сфере должны в этом случае наблюдаться определенные мелкомасштабные колебания (флуктуации) радиояркости. Однако таких флуктуаций пока обнаружить не удалось.

Разумеется и в этом случае требуются дальнейшие тщательные исследования с помощью еще более чувствительной аппаратуры.

Наблюдения реликтового излучения позволяют решить еще одну интереснейшую задачу. Все космические объекты находятся в постоянном движении. Планеты обращаются вокруг Солнца. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактики, в свою очередь, не только участвуют в расширении Вселенной, но и перемещаются друг относительно друга.

Для того чтобы обнаружить и изучить любое движение, измерить его физические характеристики: скорость, ускорение, направление — необходима определенная система отсчета, связанная с теми или иными материальными объектами. Так, движение Земли и планет мы обычно отсчитываем относительно системы координат, связанной с Солнцем, а движение Солнца и звезд относительно галактической системы координат.

Но все дело в том, что космические тела, с которыми мы связываем те или иные системы отсчета, сами движутся. Иными словами, любой космический объект одновременно участвует в целом ряде различных движений. И для того, чтобы определить суммарное движение, нужна была некая «независимая» система отсчета, не связанная с перемещающимися небесными телами. Такой в определенном смысле «абсолютной» или, точнее говоря, физически преимущественной системой может служить система отсчета, жестко связанная с реликтовым излучением.

Мы введем эту систему таким образом, чтобы в каждой точке пространства по отношению к ней поток излучения был равен нулю. В этом и заключается физическая преимущественность построенной нами системы.

Если Земля движется относительно реликтового излучения, реликтового фона Вселенной, то плотность энергии этого излучения, а следовательно и его «радиояркость», в направлении движения будет соответственно выше, чем в противоположном. В самом деле, представим себе реликтовое излучение как поток фотонов. Тогда, очевидно, за одно и то же время Земля будет «сталкиваться» с большим числом встречных фотонов, чем догоняющие.

Как мы уже говорили, реликтовое излучение практически изотропно, но из-за того, что Земля обладает собственным движением, эта изотропия должна несколько нарушаться. Нарушения эти, разумеется, весьма незначительны и не меняют общую картину благодаря тому, что скорость движения нашей планеты ничтожна в сравнении со скоростью распространения электромагнитных волн. Но тем не менее такие нарушения существуют, и их можно в принципе обнаружить. Измерив разницу в интенсивности реликтового фона в диаметрально противоположных направлениях, мы определим скорость движения Земли по отношению к введенной нами преимущественной системе отсчета.

Точнейшие измерения с помощью современных радиотелескопов на волне длиной 9 мм показали, что радиояркость реликтового фона в направлении на созвездие Льва (это созвездие расположено на небе несколько ниже «донышка ковша» Большой Медведицы) чуть больше, а в противоположном направлении чуть меньше средней для всего неба величины. Различие едва уловимо: всего на одну тысячную. Но из этого следует, что наша планета вместе с Солнцем и всей Солнечной системой движется по направлению к созвездию Льва (к точке с координатами: прямое восхождение ?=10±0,12 ч, склонение ?= 6±3°) со скоростью 372 ^км/_с относительно системы отсчета, связанной с реликтовым излучением. (Возможная ошибка в определении указанной скорости составила при этом около 25 ^км/_с в ту или другую сторону.) Зная эту величину, а также скорость движения нашей Галактики относительно Местной группы галактик, можно определить скорость относительно реликтового фона и всей Местной группы… Она равна 610 ^км/_с плюс-минус 50 ^км/_с и направлена к точке с координатами ?= 10,5 ± 0,4 ч, ?=?26 ± 5°.