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

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 часов назад, к самым ранним временам, мы можем вообразить себе космос, который был намного плотнее и горячее; Георгий Гамов в 1952 году называл его первичным огненным шаром. Физики поступили именно так — и обнаружили переломные эпохи в раскрывающейся перед нами Вселенной пространства, времени, материи, излучения и других, все еще загадочных форм материи-энергии (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Схематическая временная шкала ранней Вселенной. Показаны ключевые эпохи в расширяющейся и охлаждающейся метасистеме материи- энергии. (По источнику: A. Guth, “Infl ation and the New Era of High-precision Cosmology”, MIT Physics Annual [2002].)

Планковская эпоха

Время ≈ 10^–43 с, температура ≈ 10³² К

Здесь водятся драконы ^[6]. Мы мало что знаем об этой эпохе, поскольку пространство и время еще не возникли как отдельные измерения и космические часы еще не начали тикать. Более того, все известные взаимодействия, признанные сегодня (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), были едины. Только после того, как наступила эта эпоха, пространство, время и гравитация смогли «вымерзнуть» из хаоса и подготовить декорации для развития Вселенной. Пытаясь представить, что могло в ней происходить, физики воображают лишь картину, на которой из квантовой «пены» возможностей внезапно появляются и исчезают из бытия фундаментальные частицы и античастицы, — и, собственно, на этом все. Возможно, когда-нибудь у нас будет жизнеспособная теория квантовой гравитации. Но до тех пор планковская эпоха будет оставаться за пределами нашего понимания.

Эпоха инфляции

Время ≈ 10^–35 с, температура ≈ 10²⁷ К

Как только Вселенная расширилась и остыла, выйдя из непознаваемой «черной дыры», которую мы называем планковской эпохой, ее заполнил «бульон» из фундаментальных частиц. Это были кварки, глюоны, лептоны и аналогичные им античастицы, а также фотоны — и все это взаимодействовало и преображалось. Полагают, что в эту эпоху появилось много других экзотических частиц, в том числе аксионы, магнитные монополи, стерильные нейтрино и гравитоны, но пока ни одну из них не удалось обнаружить. Тем временем Вселенная стала достаточно прохладной, чтобы сильное взаимодействие отделилось от предшествующего смешения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий (фундаментальных сил, управляющих поведением частиц, ядер и атомов). Считается, что это привело к резкому раздуванию Вселенной, в результате чего она увеличилась в 150 с лишним раз менее чем за 10^–33 секунд (рис. 9.4). Так ультрамикроскопическая вспышка превратилась в макроскопический космос, который был на 50 порядков больше. (С тех пор эта область размером с грейпфрут выросла еще на 30 порядков и стала сегодняшней наблюдаемой Вселенной, только это заняло намного больше времени.) Кроме того, отделение сильного взаимодействия ускорило образование элементарных частиц и фотонов — и это придало Большому взрыву его энергичность и силу.