Почему реликтовое излучение такое холодное?
Да, ведь оно холодное, излучение Вселенной-младенца, открытое Пензиасом и Уилсоном! Я объяснял ранее (приводя в пример плиту), что высокая температура дает короткие волны, а низкая — длинные. Пензиас и Уилсон обнаружили волны в микроволновой части электромагнитного спектра. И эти волны намного длиннее видимого света. Но когда образовалось реликтовое излучение, было жарко — на самом деле, выше 2500 °C. При таких температурах атомы во Вселенной должны двигаться невероятно быстро, что привело бы к образованию большого количества видимого света. Тем не менее ночное небо заполнено не видимыми световыми волнами от Большого взрыва (это было бы что-то!), а не менее чем в тысячу раз более длинными микроволнами. Почему? Потому что Вселенная неплохо так расширилась с момента образования реликтового излучения.
Световые волны распространяются по расширяющейся Вселенной точно также, как линии на воздушном шаре удлиняются во время надувания. Иллюстрация: Herb.
Давайте вернемся к нашей Вселенной — воздушному шару. Представьте себе, что нарисовали извилистую линию на ненадутом воздушном шаре. Потом вы начинаете его надувать. По мере расширения линия тоже будет увеличиваться вместе с резиной. Точно так же световые волны будут расширяться во время движения по расширяющейся Вселенной, потому что они проходят через пространство, которое постоянно расширяется. С момента образования реликтового излучения (380 000 лет после Большого взрыва) Вселенная так сильно растянулась, что первоначальное расстояние между двумя точками в космосе увеличилось более чем в 1000 раз. Таким образом, электромагнитные волны, которые когда-то были видимым светом, превратились в тусклые микроволны, для обнаружения которых нужны американские рупорные антенны или другие приборы.
Это свойство электромагнитных волн, растягивающихся вместе с расширением Вселенной, очень похоже на эффект Доплера, который мы рассматривали ранее. При эффекте Доплера длина электромагнитных волн также меняется, однако все зависит от скорости объекта в пространстве, а не расширения самого пространства.
Научная «Санта-Барбара»
Вернемся к Холмдейлу, проблемам с голубями и астрономам Пензиасу и Уилсону, ставшими впоследствии лауреатами Нобелевской премии. Даже не подозревая об этом, они были первыми людьми, обнаружившими излучение младенческой стадии Вселенной.
Оглядываясь назад, мы, скорее всего, удивимся: надо же, два незаурядных астронома не поняли, что надоедливое жужжание в радиотелескопе было логическим следствием Большого взрыва. Тем более что существование реликтового излучения было теоретически предсказано шестнадцатью годами ранее молодыми физиками Ральфом Альфером и Робертом Херманом. Они даже опубликовали предсказание в виде небольшой заметки в очень популярном в то время журнале Nature в 1948 году.
Предсказание Альфера и Хермана забыли или не восприняли всерьез (а может, и то и другое) по нескольким причинам. Многим, наверное, казалось чрезмерно самонадеянным применять законы физики к чему-то столь масштабному и гипотетическому, как рождение Вселенной. В то время в некоторых научных кругах к космологии — науке, занимающейся изучением Вселенной, — относились как к никчемному приложению астрономии. К тому же Альфер и Херман были молоды и сотрудничали с блестящим, но несколько экстравагантным физиком Георгием Гамовым (он еще и научно-популярные стишки писал) — и, возможно, революционное предсказание отчасти сбросили со счетов из-за этого тоже.
В любом случае, пока Пензиас и Уилсон чесали затылки, новая группа физиков вышла на след реликтового излучения. В 1964 году, тогда же, когда Пензиас и Уилсон мучились от радиошума, американский физик Роберт Дикке тоже предсказал существование реликтового излучения, совершенно независимо от работ Альфера и Хермана. Дикке объединился с двумя коллегами из Принстонского университета, и они постепенно начали разработку радиооборудования для обнаружения реликтового излучения.
Благодаря запутанным совпадениям Пензиас и Уилсон наконец узнали о гипотезе Дикке. Когда Дикке со своими коллегами обсуждали конструкцию радиотелескопа, ему позвонил Пензиас. Он сообщил, что уже обнаружил излучение, предсказанное Дикке. Затем Дикке, как говорят, повернулся к своим коллегам и произнес по-голливудски красивое: «Ребята, нас обскакали!»
И ведь действительно обскакали. Однако теория и наблюдения наконец-то сошлись, и все были счастливы. В 1965 году в Astrophysical Journal одновременно были опубликованы две статьи: наблюдения Пензиаса и Уилсона и объяснения этих наблюдений под авторством Дикке и его команды.
А что насчет Альфера и Хермана? Их раннее предсказание реликтового излучения признали не сразу, но вклад ученых должным образом осветил в своей речи Пензиас при получении Нобелевской премии в 1978 году. Что именно уловил их радиотелескоп, Пензиас и Уилсон не понимали, но упорно отказывались признавать это, за что и получили Нобелевскую премию. Сегодня может показаться немного странным, что премию не разделили, например, с Альфером и Херманом.
Семена, проросшие в первичной туманности
Открытие реликтового излучения доказывало существование Большого взрыва. Ну хорошо. А как это связано с темной материей? Вот об этом мы сейчас и поговорим.
Пензиас и Уилсон наблюдали реликтовое излучение, которое было совершенно одинаковым независимо от того, в какую сторону они направляли рупорную антенну. Но удалось бы им сделать еще более точные измерения, и они бы увидели, что излучение все равно не совсем равномерное. В каком-то направлении излучение немного теплее, в другом — чуть холоднее. И если бы они составили точную карту неба, то рассмотрели бы замысловатый узор из горячих и холодных точек. Именно эти пятна делают реликтовое излучение бесценным инструментом при изучении Вселенной.
Пятна в реликтовом излучении никто не замечал до 1992 года, пока астрофизик Джордж Смут не продемонстрировал данные, полученные со спутника СОВЕ. Смут двадцать лет искал эти пятна, поэтому неудивительно, что он позволил себе следующее высказывание: «Что ж, если вы религиозны, то это все равно что увидеть лицо Бога».
С тех пор внимание к пятнам становилось все более пристальным. А самые точные данные мы получили с европейского спутника «Планк». Взгляните на измерения «Планка» на рисунке.
Карта микроволн от Большого взрыва, наблюдаемых спутником Планк. Карта показывает излучение со всего неба. Красный цвет указывает на участки немного горячее среднего, а синим отмечены более холодные участки.
Похоже это на лицо Бога или нет, судить не берусь. Многих, возможно, возмутит, что изображение реликтового излучения выглядит так скучно, особенно если сравнивать с фантастичными фотографиями космоса. Если бы мы посмотрели на это изображение в серых тонах, то оно больше всего напоминало бы белый шум, который иногда возникает во время переключения каналов на старинном телевизоре. И ведь на самом деле: реликтовое излучение виновато примерно в одном проценте телевизионных помех.
