Игорь Новиков - Черные дыры и вселенная
Значит, его можно наблюдать! Несмотря на то что общее количество энергии в реликтовом излучении сравнимо с энергией света от галактик, волны реликтового излучения имеют совсем другую длину волны в поэтому могут быть обнаружены. Вот что говорит в своей нобелевской лекции А. Пензиас о нашей с А. Дорошкевичем работе.
«Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 года в краткой статье А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, озаглавленной „Средняя плотность излучения в метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии“. Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале „Советская физика — Доклады“, статья по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного радиоволнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лабораторий „Белл“ в Кроуфорд Хилл как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!»
Наша статья осталась не замеченной наблюдателями. Ни А. Пензиас и Р. Вилсон, ни Р. Дикке и его сотрудники до опубликования своих статей в 1965 году о ней ничего не знали, о чем А. Пензиас неоднократно с сожалением мне говорил.
Рассказанное еще не исчерпывает недоразумений, связанных с открытием реликтового излучения.
Оказывается, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941 году! Канадский астроном Э. Мак-Келлар был одним из тех, кто установил существование молекул в межзвездном пространстве. Способ, которым исследовался межзвездный газ, был следующим. Если свет какой-либо звезды на пути к нам проходит сквозь облако межзвездного газа, то атомы и молекулы этого газа вызывают поглощение света звезды на строго определенных длинах волн. Так возникают в спектре линии поглощения межзвездного газа.
Положение линий в спектре зависит от того, какой элемент или какая молекула вызывали поглощение, а также еще от того, в каком состоянии находятся атомы или молекулы.
В 1941 году Э. Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Σ Змееносца межзвездными молекулами циана (соединения углерода и азота). Он пришел к выводу, что эти линии (в видимой глазом области спектра) могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана. Причем вращение их должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 Кельвина. Ни сам Э. Мак-Келлар, ни кто другой, конечно, не подумали тогда о возможности того, что вращение молекул вызывается реликтовым излучением. Да и сама теория горячей Вселенной тогда еще не была создана!
Только после открытия реликтового излучения были опубликованы в 1966 году три работы: И. Шкловского, Дж. Филда и Р. Тадеуша, в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, наблюдавшееся по спектру звезды в созвездии Змееносца, вызвано реликтовым излучением.
Таким образом, еще в 1941 году было обнаружено хоть и косвенное проявление реликтового излучения — его влияние на состояние вращения в межзвездных молекулах циана.
Но и это еще далеко не конец истории.
Вернемся к проблеме технической возможности открытия реликтового излучения. Возникает вопрос: когда техника уже позволяла это сделать? С. Вайнберг пишет: «Трудно ответить точно, но мои коллеги-экспериментаторы говорят мне, что наблюдения могли быть проведены задолго до 1965 года, возможно, в середине 50-х, а может быть, даже и в середине 40-х годов». Так ли это?
Осенью 1983 года мне позвонил сотрудник института общей физики Т. Шмаонов, с которым я до этого не был знаком, и сказал, что он хотел бы побеседовать по вопросам открытия реликтового излучения. Мы встретились в тот же день, и Т. Шмаонов рассказал мне, как он в середине 50-х годов под руководством известных советских радиоастрономов С. Хайкина и Н. Кайдановского проводил измерения радиоволн, шедших из космоса, на длине 3,2 сантиметра. Эти измерения проводились с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Т. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда не было еще столь чувствительных приемников, которые были потом у американских радиоастрономов. Результаты измерений Т. Шмаонова были опубликованы в 1957 году в его кандидатской диссертации и в советском журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4° ± 3°K». Т. Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления и от времени. Хотя ошибки измерений Т. Шмаонова велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4°K не приходится, мы понимаем теперь, что Т. Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни сам Т. Шмаонов, ни его руководители, ни другие радиоастрономы, которым были известны результаты его измерений, ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения результатам этих измерений. Их довольно быстро забыли. Когда в 1963 и в 1964 годах после выполнения наших с А. Дорошковичем вычислений мы ходили к многим советским радиоастрономам с вопросом: не известны ли им результаты каких-либо измерений фонового радиоизлучения на сантиметровых или более коротких волнах? — никто из них не вспомнил об измерениях Т. Шмаонова!
Забавно, что даже сам автор измерений не придал им должного значения не только в 50-х, что легко объяснить, но даже после опубликования открытия реликтового излучения в 1965 году А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Правда, в то время Т. Шмаонов работал уже совсем в другой области. Только в 1983 году в результате полуслучайных разговоров было обращено внимание на старые измерения, и Т. Шмаонов выступил по этому поводу с докладом на Бюро отделения общей физики и астрономии АН СССР. Это было спустя 27 лет после самих измерений и 18 лет после опубликования результатов А. Пензиаса и Р. Вилсона.
Но даже это еще не все. Когда автор заканчивал эту книгу, он узнал, что были еще измерения японских радиоастрономов в начале 50-х годов, когда якобы также обнаружили фоновое излучение. Эти работы, так же как и работы Т. Шмаонова, ни тогда, ни многие годы спустя не обратили на себя внимания и не были практически никому известны.
Вот как причудлива фортуна. И тем не менее вся эта история весьма поучительна. Увидеть какое-либо явление — еще не значит его открыть. Надо осознать значение обнаруженного, надо правильно его объяснить. Конечно, тут играют роль и стечение многих обстоятельств, и просто удача. Но успех никогда не приходит совершенно случайно. Он требует огромного труда, больших знаний, настойчивости и в самой работе, и в доведении ее результатов до сознания других.
Путешествие в далекое прошлое
Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках, подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.
Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см3.
Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10–30 г/см3. Это значит, что, если бы мы «размазали» все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода — наиболее распространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.
Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. Реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем тяжелых частиц протонов. Если мы учтем, помимо водорода, и другие химические элементы, в состав ядер которых входят не только протоны, но и нейтроны, то это практически ничего не изменит в нашей оценке, так как водород — главный элемент в природе. Итак, 109 реликтовых фотонов на одну тяжелую частицу.
Мы знаем, что сегодня в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства около 500 фотонов, летящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, соответствующую его частоте. При температуре 3° Кельвина большинство фотонов имеет энергию 10–15 эрг каждый. Значит, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10–15 эрг на 500, то есть 5 · 10–13 эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5 · 10–13 эрг соответствует масса 5 · 10–34 грамма. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре в наши дни есть 5 · 10–34 грамма реликтового излучения.
