Реликтовое излучение
Открытие реликтового излучения укрепило теорию Большого взрыва. Море слабого электромагнитного излучения, произошедшее из тепла молодой Вселенной, состоит из фотонов, которые высвободились 13 миллиардов лет назад, когда космос стал прозрачным, когда сформировались атомы водорода.
В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли неожиданное теплое свечение в небе. В работе над микроволновой радиоантенной в Нью-Джерси физики из лабораторий «Белл» обнаружили постоянный слабый тепловой сигнал, приходящий отовсюду. Вначале они решили, что это помехи — возможно, их чувствительный радар засорился голубиным пометом.
Но, услышав доклад принстонского теоретика Роберта Дика, они осознали, что наткнулись на великое открытие. Наблюдаемый тепловой шквал оказался не земного, а космического происхождения. Они обнаружили предсказанные ранее отсветы Большого взрыва. Дик, построивший похожую радиоантенну для поисков реликтового излучения, ликовал меньше. «Ребята, нас обставили», — съязвил он.
Теплое сияние
Благодаря микроволновому фону космос — океан тепла с температурой примерно три градуса Кельвина (аналог трех градусов Цельсия выше абсолютного нуля). Его характеристики точно предсказаны физикой Большого взрыва. В молодости Вселенная была очень горяча — температура достигала тысяч градусов по Кельвину. Но с расширением она охлаждалась. Ныне температура должна быть в точности 2,73 К, и именно это обнаружили Пензиас и Уилсон. Точность измерения температуры реликтового излучения не имеет аналогов. Небо испускает микроволны на частотах с пиком в районе 160,2 ГГц (длина волны 1,9 мм), и это идеальный пример «спектра абсолютно черного тела» — характеристического диапазона частот, выдаваемого чем- то, что идеально вбирает и испускает тепло, как матовая черная печь. В 1990 году спутник НАСА «Эксплорер 66» (СОВЕ) показал, что реликтовое излучение — самый точный наблюдаемый пример спектра абсолютно черного тела, хоть оно и изрядно холоднее, чем раскаленная докрасна кочерга.
«Изменения редко удобны» Арно Пензиас, Автобиография (1978)
Диполь
Если разбираться, небо не везде одинаковой температуры. Микроволны теплее в одном из полушарий на 2,5 милликельвина — или на одну тысячную долю единицы. Это распределение тепла, открытое вскоре после самого реликтового излучения, называется диполем — из-за двух полюсов: холодного и горячего. Разница температур возникает из-за эффекта Доплера, в силу движения Земли: Солнечная система относительно Вселенной движется со скоростью 600 км/с.
Если всмотреться еще внимательнее, на уровне примерно миллионной доли, небо усыпано горячими и холодными точками. Эта рябь очень интересует астрономов, потому что она возникла вскоре после Большого взрыва. Впервые эти точки заметил «Эксплорер 66» — благодаря ему нам известно множество пятен размером с полную Луну. В 2003 году спутник WMAP создал более подробную карту, на которой различима более мелкая сыпь. Еще точнее их измеряет другой спутник, «Планк».
Рябь
Эти колебания в микроволновом фоне космоса возникли, когда Вселенная была очень горяча. После Большого взрыва космос расширялся и остывал, формировались фотоны, субатомные частицы и, постепенно, — протоны и электроны. Ядра первых легких элементов — водород и немного гелия и лития — сформировались в первые три минуты. В тот момент Вселенная была супом из протонов и электронов, носившихся туда-сюда. Эти частицы были ионизированы, то есть имели электрический заряд: протоны — положительный, электроны — отрицательный, но фотоны рикошетили от заряженных частиц, и потому ранняя Вселенная была густым туманом.
Вселенная охлаждалась. Протоны и электроны стали двигаться медленнее, и примерно через 400 000 лет они смогли соединяться и формировать атомы водорода. Заряженные частицы сливались, и природа космического супа постепенно менялась от ионизированной к электрически нейтральной. Вселенная сделалась морем водорода.
Когда заряженных частиц не осталось, фотоны смогли летать свободно. Мгла рассеялась. Эти самые фотоны, остыв еще больше, теперь составляют микроволновый фон космоса. В то время, согласно красному смещению примерно в тысячу (z = 1000), температура Вселенной была около 3000 К, теперь она примерно в тысячу раз холоднее — приблизительно 3 К.
Космический пейзаж
Холодные и горячие пятна, которыми усыпан океан фотонов, возникают из-за материи во Вселенной. В некоторых областях космоса материи больше, чем в других, поэтому фотоны, пролетая сквозь разные участки Вселенной, замедляются чуть по-разному, в зависимости от траектории. Точный узор микроволновых колебаний сообщает нам, до чего неравномерно материя распределялась задолго до того, как появились первые звезды и галактики.
Типичные размеры горячих точек тоже о многом говорят. Самые распространенные занимают около одного градуса в небе, что вдвое больше диаметра полной Луны. Ровно столько и предсказывали теоретики, глядя на распределение материи в современной Вселенной и строя проекцию прошлого, с учетом расширения Вселенной. Это совпадение предсказанного и наблюдаемого предполагает, что лучи света путешествуют сквозь Вселенную по прямой. Астрономы говорят, что Вселенная «плоская», потому что лучи не изгибаются и не отклоняются из-за искажений времени-пространства.
В целом история космического микроволнового фона — один из триумфов теоретиков. До сих пор им удавалось предсказывать его характеристики с поразительной точностью. Но может быть, наблюдатели найдут расхождения — нестыковки в данных о горячих точках со спутника «Планк» или в узорах поляризации, которые получаются в экспериментах, проводимых сейчас на Южном полюсе, на воздушных шарах и с применением специальных радиотелескопов, — расхождения, из которых родится новая физика.
Излучение абсолютно черного тела
Угли для шашлыка и конфорки электроплит по мере нагрева до сотен градусов Цельсия краснеют, рыжеют и желтеют. Вольфрамовая нить лампы дневного света сияет белым, достигая более 3000 градусов Цельсия, как на поверхности звезды. С ростом температуры горячие тела сначала светятся красным, затем желтым, а при еще более сильном нагревании — и бело-голубым. Это распределение цветов — излучение абсолютно черного тела, потому что темные материалы лучше всего излучают и впитывают свет. Физики XIX века не могли объяснить, почему это так, независимо от задействованного в эксперименте вещества. Вильгельм Вин, лорд Рэлей и Джеймс Джинс отчасти разрешили эту загадку. Но Рэлей и Джинс предсказывали высвобождение бесконечной энергии на ультрафиолетовых длинах волн и выше — «ультрафиолетовую катастрофу». В 1901 году Макс Планк разобрался с этой неувязкой — объединил физику тепла и света и поделил электромагнитную энергию между субатомными единицами электромагнитного поля, которые назвал квантами. Мысль Планка стала семенем, из которого выросла одна из важнейших областей современной физики — квантовая теория.
