Реликтовое излучение

Внегалактическое микроволновое фоновое излучение приходится на диапазон частот от 500 МГц до 500 ГГц, что соответствует длинам волн от 60 см до 0,6 мм. Это фоновое излучение несет информацию о процессах, происходивших во Вселенной до образования галактик, квазаров и др. объектов. Это излучение, названное реликтовым, было обнаружено в 1965 году, хотя оно было предсказано еще в 40-х годах Георгием Гамовым и исследовалось астрономами в течение десятилетий.

В расширяющейся Вселенной средняя плотность вещества зависит от времени — в прошлом она была больше. Однако при расширении изменяется не только плотность, но и тепловая энергия вещества, значит на ранней стадии расширения Вселенная была не только плотной, но и горячей. Как следствие, в наше время должно наблюдаться остаточное излучение, спектр которого такой же, как спектр абсолютно твердого тела, и это излучение должно быть в высшей степени изотропно. В 1964 году А.А.Пензиас и Р.Вилсон, испытывая чувствительную радиоантенну, обнаружили очень слабое фоновое микроволновое излучение, от которого никаким образом не могли избавиться. Его температура оказалась равной 2,73 К, что близко к предсказанной величине. Из экспериментов по исследованию изотропии было показано, что источник микроволнового фонового излучения не может находиться внутри Галактики, так как тогда должна была бы наблюдаться концентрация излучения к центру Галактики. Источник излучения не мог находиться и внутри Солнечной системы, т.к. наблюдалась бы суточная вариация интенсивности излучения. В силу этого был сделан вывод о внегалактической природе этого фонового излучения. Тем самым гипотеза горячей Вселенной получила наблюдательное основание.

Для понимания природы реликтового излучения необходимо обратиться к процессам, имевшим место на ранних стадиях расширения Вселенной. Рассмотрим, как менялись физические условия во Вселенной в процессе расширения.

Сейчас каждый кубический сантиметр пространства содержит около 500 реликтовых фотонов, а вещества на этот объем приходится гораздо меньше. Поскольку отношение числа фотонов к числу барионов в процессе расширения сохраняется, но энергия фотонов в ходе расширения Вселенной со временем уменьшается из-за красного смещения, можно сделать вывод, что когда-то в прошлом плотность энергии излучения была больше плотности энергии частиц вещества. Это время называется радиационной стадией в эволюции Вселенной. Радиационная стадия характеризовалась равенством температуры вещества и излучения. В те времена излучение полностью определяло характер расширения Вселенной. Примерно через миллион лет после начала расширения Вселенной температура понизилась до нескольких тысяч градусов и произошла рекомбинация электронов, бывших до этого свободными частицами, с протонами и ядрами гелия, т.е. образование атомов. Вселенная стала прозрачной для излучения, и именно это излучение мы сейчас улавливаем и называем реликтовым. Правда, с того времени из-за расширения Вселенной фотоны уменьшили свою энергию примерно в 100 раз. Образно говоря, кванты реликтового излучения «запечатлели» эпоху рекомбинации и несут прямую информацию о далеком прошлом.

После рекомбинации вещество впервые начало эволюционировать самостоятельно, независимо от излучения, и в нем начали появляться уплотнения – зародыши будущих галактик и их скоплений. Вот почему так важны для ученых эксперименты по изучению свойств реликтового излучения – его спектра и пространственных флуктуаций. Их усилия не пропали даром: в начале 90-х гг. российский космический эксперимент «Реликт-2» и американский «Кобе» обнаружили различия температуры реликтового излучения соседних участков неба, причем величина отклонения от средней температуры составляет всего около тысячной доли процента. Эти вариации температуры несут информацию об отклонении плотности вещества от среднего значения в эпоху рекомбинации. После рекомбинации вещество во Вселенной было распределено почти равномерно, а там, где плотность была хоть немного выше средней, сильнее было притяжение. Именно вариации плотности впоследствии привели к образованию наблюдаемых во Вселенной крупномасштабных структур, скоплений галактик и отдельных галактик. По современным представлениям, первые галактики должны были образоваться в эпоху, которая соответствует красным смещениям от 4 до 8.

А есть ли шанс заглянуть еще дальше в эпоху, предшествующую рекомбинации? До момента рекомбинации именно давление электромагнитного излучения в основном создавало гравитационное поле, тормозившее расширение Вселенной. На этой стадии температура менялась обратно пропорционально квадратному корню из времени, прошедшего с начала расширения. Рассмотрим последовательно различные стадии расширения ранней Вселенной.

При температуре примерно 10¹³ Кельвинов во Вселенной рождались и аннигилировали пары различных частиц и античастиц: протоны, нейтроны, мезоны, электроны, нейтрино и др. При понижении температуры до 5·10¹²К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те, для которых «не хватило» античастиц. Именно из этих «избыточных» протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной.

При Т= 2·10¹⁰К с веществом перестали взаимодействовать всепроникающие нейтрино – от того момента должен был остаться «реликтовый фон нейтрино», обнаружить который, возможно, удастся в ходе будущих нейтринных экспериментов.

Все, о чем сейчас говорилось, происходило при сверхвысоких температурах в первую секунду после начала расширения Вселенной. Спустя несколько секунд после момента «рождения» Вселенной началась эпоха первичного нуклеосинтеза, когда образовывались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия. Она продолжалась приблизительно три минуты, а ее основным результатом стало образование ядер гелия (25% от массы всего вещества Вселенной). Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества – около 0,01%.

После эпохи нуклеосинтеза и до эпохи рекомбинации (примерно 10⁶ лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной, а затем – спустя сотни миллионов лет после начала – появились первые галактики и звезды.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть и самый начальный, «сверхплотный» период расширения Вселенной. Оказывается, в самом начале расширения, когда температура была невероятно высока (больше 10²⁸К), Вселенная могла находиться в особом состоянии, при котором она расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной. Такую стадию расширения назвали инфляционной. Подобное состояние материи возможно при одном условии – отрицательном давлении. Стадия сверхбыстрого инфляционного расширения охватывала крошечный промежуток времени: она завершилась к моменту примерно 10^–36с. Считается, что настоящее «рождение» элементарных частиц материи в том виде, в каком мы их знаем сейчас, произошло как раз по окончании инфляционной стадии и было вызвано распадом гипотетического поля. После этого расширение Вселенной продолжалось уже по инерции.

Гипотеза инфляционной Вселенной отвечает на целый ряд важных вопросов космологии, которые до недавнего времени считались необъяснимыми парадоксами, в частности на вопрос о причине расширения Вселенной. Если в своей истории Вселенная действительно прошла через эпоху, когда существовало большое отрицательное давление, то гравитация неизбежно должна была вызвать не притяжение, а взаимное отталкивание материальных частиц. И значит, Вселенная начала быстро, взрывоподобно расширяться. Конечно, модель инфляционной Вселенной лишь гипотеза: даже косвенная проверка ее положений требует таких приборов, которые в настоящее время просто еще не созданы. Однако идея ускоренного расширения Вселенной на самой ранней стадии ее эволюции прочно вошла в современную космологию.

Говоря о ранней Вселенной, мы от самых больших космических масштабов вдруг переносимся в область микромира, которая описывается законами квантовой механики. Физика элементарных частиц и сверхвысоких энергий тесно переплетается в космологии с физикой гигантских астрономических систем. Самое большое и самое малое смыкаются здесь друг с другом. В этом и состоит удивительная красота нашего мира, полного неожиданных взаимосвязей и глубокого единства.

Автор: методист МАЦ "Вега" Тульская С.В.