Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.12. Реликтовое излучение

Когда раскачивающиеся электрические заряды излучили свет, тот может путешествовать бесконечно долго. Существуют электромагнитные волны, странствующие по Вселенной с самого ее рождения. Такие волны дальнего плавания называют реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоновым излучением. Это очень важное излучение. Осмелюсь даже утверждать, что на сегодня это наш самый важный источник знаний о Вселенной. Если бы у нас не было кривых вращения Рубин, скоплений галактик Цвикки, гравитационных линз или любого другого признака темной материи, космическое фоновое излучение все же дало бы нам более чем достаточно оснований для выводов о существовании темной материи и о том, что ее гораздо больше, чем материи обычной. Кроме того, это микроволновое излучение говорит нам гораздо больше, например, о том, что Вселенная началась с Большого взрыва.

Настало время реликтовому излучению предстать перед нами во всем своем электромагнитном великолепии. Начать историю о реликтовом излучении можно по-разному. Но мы перенесемся на 50 лет назад и перелетим на другой берег Атлантики. Когда Большой взрыв добрался до вершины холма в Нью-Джерси

1964 год, мы находимся в Соединенных Штатах, а именно в Холмдейле, немного южнее Нью-Йорка. США вот-вот упадут к ногам четверых относительно смазливых англичан, а такие беззаботные песни о любви, как I Want to Hold Your Hand и Can’t Buy Me Love, заставят американскую молодежь подпевать и танцевать твист.

На юг летят два голубя. Кажется, они стремятся к какой-то цели, и, если проследить за ними, мы увидим, что птицы начинают кружить над небольшой, заросшей травой вершиной холма Кроуфорд-Хилл. На вершине возвышается огромное устройство в форме рупора. Рупор размером с дом и похож на гигантский рог из фантастического фильма: «БАМ, БА-AM! Дракон идет!» — как-то так. Но нет. Это устройство — сверхчувствительная рупорная антенна, и принадлежит она лаборатории Белла (исследовательскому центру Bell Labs) в паре километров отсюда. До недавнего времени в рупоре жили эти два голубя. Там они свили гнездо и собрались создать воркующую голубиную семью. Но это было до того, как появились два молодых астрофизика — Арно Пензиас и Роберт Уилсон.

Изначально рупорная антенна была построена в рамках крупного проекта по тестированию первых, примитивных спутников связи, но впоследствии ее исключили из этого проекта и Пензиасу и Уилсону разрешили использовать антенну для самого прекрасного, что только есть на этом свете, — изучения астрономии.

Два астронома собирались осуществить исключительно точные измерения радиоизлучения далеких галактик. Для этого им сначала нужно было получить полный обзор всех возможных других источников радиопомех, а также ознакомиться с шумом и помехами от антенны и измерительных приборов. FM-радио, настроенное на конкретную волну, всегда дает небольшой фоновый шум, и совершенно так же астрономические приборы всегда обнаруживают шум как рождающийся внутри прибора, так и приходящий из окружающей среды.

^{Рупорная антенна в Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Уилсон позируют на платформе.}

Будучи амбициозными, Пензиас и Уилсон хотели в своих наблюдениях достичь небывалой прежде точности и поэтому стремились получить как можно больше данных об источниках шума. Однако к великому отчаянию молодых радиоастрономов, рупорная антенна постоянно улавливала слабый и, казалось бы, необъяснимый шум. Пензиас и Уилсон направляли антенну в самые разные стороны, даже к Нью-Йорку, чтобы посмотреть, не виноват ли большой город в радиопомехах. Несколько раз проверяли они все провода и соединения. Но тщетно. Шум не исчезал.

Тогда они и наткнулись на угнездившуюся в антенне голубиную парочку. Голуби не только свили гнездо, но еще и загадили конструкцию тем, что Пензиас впоследствии описал как «белое вещество-диэлектрик». Могли ли голуби стать причиной необъяснимых слабых радиопомех? Может, они и были своего рода вредителями и простое присутствие их паршивых перьев и остатков жизнедеятельности привело к шуму, угрожающему заглушить четкие радиосигналы далеких галактик? Как бы то ни было, голубей требовалось устранить. Их аккуратно депортировали в другую исследовательскую лабораторию в 50 километрах к северу от Кроуфорд-Хилл, где антенна блестела от чистоты. Но голуби сделали нечто очень им свойственное: полетели на юг, к своему старому дому, над домами и ритмами «Битлз», обогнули рупорную антенну на Кроуфорд-Хилле и пошли на посадку. Вскоре после этого Пензиас в одиночку устранил голубей из истории.

Так или иначе, голуби исчезли, чего нельзя сказать о нескончаемых необъяснимых радиопомехах. После года безрезультатных усилий ученые отказались от поиска известных источников докучающего сигнала. Становилось все более очевидным, что раздражающий шум имеет источник скорее астрономический, чем биологический. Напрашивался неизбежный вывод: что-то должно посылать непрерывный поток слабых-слабых радиоволн со всех уголков неба. Позже выяснилось, что это был Большой взрыв: расширение Вселенной, ее рождение. Они улавливали не голубиный помет, а реликтовое излучение.

Я уделяю так много внимания реликтовому излучению нс только потому, что оно чрезвычайно важно для нашего понимания Вселенной (совсем скоро расскажу, почему именно). Находка Пензиаса и Уилсона — красивый пример блистательного научного открытия, и на то есть несколько причин. Причина первая: ученые открыли то, чего и не искали. И это невероятно сложно, учитывая, что сигнал был совсем слабым. Причина вторая: гипотезы существования реликтового излучения уже существовали, но Пензиас и Уилсон об этом не знали. Более того, измеренное ими излучение было логически необходимым и неизбежным следствием существования Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва.

Но почему? Тут нужен небольшой экскурс к самому рождению Вселенной. Молодая, горячая и расширяющаяся Вселенная

На сегодняшний день практически все астрономы согласны, что концепция Большого взрыва — лучшее описание Вселенной. Грубо говоря, модель Большого взрыва гласит, что около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная была невероятно плотной и горячей, но с тех пор расширилась и стала больше и холоднее. Если мы переместимся достаточно далеко назад во времени, поближе к Большому взрыву, то увидим Вселенную, в которой настолько жарко, что и представить невозможно, намного горячее, чем в центре Солнца. Но когда нечто является горячим, или обладает высокой температурой, — что это на самом деле значит?

Возьмем в качестве примера горячего предмета электроплиту. Она состоит из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы никогда не стоят на месте — они вибрируют. Если включить плиту, то температура поднимется. Тот факт, что температура повышается, просто означает, что атомы и молекулы начинают вибрировать немного сильнее. Чем выше температура, тем активнее вибрация. Очевидно, что атомы и молекулы в электроплите состоят из обычного вещества и содержат электрические заряды.

И когда электрические заряды вибрируют, они излучают электромагнитные волны. Чем выше температура, тем быстрее вибрация. Чем быстрее вибрация, тем короче электромагнитные волны. Холодная плита излучает волны в инфракрасной части спектра, то есть волны, чересчур длинные для восприятия нашими глазами. Но, если вы нагреете плиту достаточно сильно, она начнет светиться красным. Горячие массивные атомы и молекулы станут излучать больше коротковолнового видимого света. И если вам удастся нагреть плиту еще сильнее, то в конечном итоге она будет излучать голубоватый свет, то есть еще более короткие волны. Впрочем, тут полагается сказать: «Трюк выполнен профессионалами, не пытайтесь повторить это дома».

Так что давайте вместо поджога кухни проведем небольшой мысленный эксперимент. Представим, что мы бензопилой отрезали от плиты конфорку и отправили ее на машине времени назад к рождению Вселенной. Сегодняшняя Вселенная холодная, и плита в свободном плавании излучала бы длинные микроволны. Но по мере приближения к Большому взрыву температура будет расти. Во Вселенной, которой около полумиллиона лет, плита станет такой же раскаленной докрасна, как в довольно рискованном эксперименте на кухне. Если мы отправим электроплиту еще дальше, то она совсем скоро посинеет от температур и испарится, превратившись в газ. В какой-то момент температура будет настолько высокой, что атомы, когда-то образовывав шие плиту, растворятся. Положительно заряженные ядра атома больше не смогут удерживать электроны. И каждый раз при попытке электрона образовать пару с ядром атома для создания нейтрально заряженного атома короткая вспыльчивая электромагнитная волна вмешивается и отбрасывает электрон в сторону.

Газ, в котором электроны и ядра атомов больше не взаимодействуют, называется плазмой. Первые 380 000 лет после Большого взрыва наша Вселенная состояла именно из такой теплой плазмы. Тогда ядра атомов наполняли легчайшие из существующих элементов: водород и гелий. Большинство других элементов вокруг нас, таких как кислород, углерод, азот и железо, образовались позже, в ядерных реакциях в звездах. Но в течение первых 380 000 лет не было ни звезд, ни галактик, ни даже атомов — только теплый суп из плазмы, а варились в нем электроны и ядра водорода и гелия.

(Первые три минуты было так жарко, что не могли существовать даже ядра атомов. Но мы вернемся к этому позже.)

Такая плазма ведет себя абсолютно не как газ. В плазме электроны в свободном плавании захватывают любую электромагнитную волну, которая пытается каким-то образом хоть куда-то пройти. Немного похоже на металлическую сетку на дверце микроволновой печи. В металле есть электроны, способные свободно перемещаться, как в плазме. Таким образом, электроны в металлической решетке смогут захватывать микроволны, чтобы те не выбрались из печи, цапнув вас за нос, пока вы наблюдаете за лопающимся попкорном. Отверстия в микроволновке сделаны так, что пройти может только видимый свет, а более длинным микроволнам никак не выбраться. В плазме молодой Вселенной все электромагнитное излучение задерживалось электронами горячей плазмы. Итак, свет не мог распространяться свободно. Получается, первые 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была плотной и непрозрачной плазменной туманностью, а если точнее, первичной туманностью.

Но потом, спустя 380 000 лет, Вселенная охладилась достаточно для того, чтобы электроны получили возможность сливаться с ядрами атомов и образовывать стабильные изотопы. Исчезли свободные электроны, поглощавшие все электромагнитные волны. Туман рассеялся, и теперь ничто уже не стояло на пути у световых волн. Многие из этих электромагнитных волн и по сей день беспрепятственно путешествуют по Вселенной. Нас постоянно бомбардируют электромагнитные волны, образовавшиеся, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Именно такие волны попадали в рупорную антенну в Холмдейле в 1964 году, независимо от того, куда поворачивали ее Пензиас и Уилсон. Это и было реликтовое излучение.