Что ищут «археологи космоса»?
Шрифт:
Фридмановскую модель расширяющейся Вселенной вскоре подтвердило открытие американского астронома Э. Хаббла. Он обнаружил, что в спектрах далеких галактик наблюдается так называемое красное смещение, причем тем большее, чем дальше галактики находятся от Земли. Из школьного курса физики известно, что, согласно эффекту Доплера, длина световой волны увеличивается, если излучающий объект, в данном случае галактика, удаляется от нас. Или другой широко известный пример с гудом самолетных турбин: если машина приближается к наблюдателю, звук становится выше, если удаляется — ниже; в последнем случае волны как бы удлиняются, то есть происходит смещение спектра в сторону более длинных волн.
То же самое происходит и в спектре радиоизлучения разлетающихся галактик. Однако самым поразительным было то, что по характеру красного
Но вот вопрос: что послужило начальным толчком для такого расширения? И почему чем дальше от нас находятся галактики, тем быстрее они разлетаются?
Своеобразной точкой отсчета для современного этапа эволюции Вселенной является Большой взрыв. Примерно к такому выводу пришел американский физик русского происхождения Георгий Гамов, опубликовавший в 40-х годах три небольшие заметки в «Физикал Ревю», в которых изложил теорию, ныне широко известную под названием «горячей» Вселенной, или Большого взрыва.
В самом деле. Допустим, мы наблюдаем какое-то событие, начало которого застать не удалось. Видя разлетающиеся с огромной скоростью обломки, можно судить о силе первоначального толчка. Применительно к разлетающимся галактикам роль первотолчка сыграл Большой взрыв. Точно так же по остывающему при расширении веществу, излучению и другим его «отголоскам» удалось установить, что примерно 20 млрд. лет назад (по другим оценкам — 15 млрд. лет) Вселенная была чрезмерно сжата и очень горяча. Насколько?.. И как быстро произошло то событие, которое сыграло весьма заметную роль в деле дальнейшего обустройства нашей Вселенной?
Осведомленность физиков в этом вопросе поражает воображение. Так, утверждается, что в момент времени, близкий к начальному, все вещество Вселенной, имея температуру 10 31К и плотность 10 93г/см 3, занимало скромный, размером с протон, объем. Далее первичный огненный шар начал расширяться — сначала быстро, потом гораздо медленнее. Дальнейший сценарий его эволюции едва ли не с секундной точностью современной наукой написан. Кроме, пожалуй, наиболее интересного начального этапа, когда вещество нашей Вселенной было собрано в одну точку, несколько туманно именуемой сингулярностью. Неизвестно лишь, что представляют собой свойства этой точки, ибо основные законы природы, которыми мы пользуемся, в том числе и важнейшие пространственно-временные соотношения, никак не могут оставаться справедливыми при тех экстремальных условиях, что присущи сингулярности. В этой — особой — точке теряют смысл даже такие фундаментальные понятия, как «раньше» и «позже», «причина» и «следствие»…
Теперь от волнующей, но непознанной сингулярности мысленно перенесемся к одному из важнейших этапов расширения Вселенной, который физики буднично называют радиационным. В это время первичный огненный шар все еще был непрозрачен для электромагнитного излучения — в нем вещество находилось в тепловом равновесии. Давление фотонного газа в мгновение ока разрушало любой образовавшийся сгусток вещества. В свою очередь, свободные электроны с их свойством рассеивать излучение решительно «пресекали» любые попытки фотонов покинуть пределы огненного шара. Лишь через миллион лет после Большого взрыва (или, как сказали бы астрофизики, при красном смещении 1055), когда температура огненного протонно-электронно-фотонного шара упала ниже 4000 К, появились на свет первые атомы водорода.
Именно на свет. Ибо связанные, то есть занявшие ядерные орбиты, электроны уже оказались не в состоянии столь интенсивно, как прежде, рассеивать излучение. Поэтому взаимодействие фотонов с веществом ослабевает, излучение как бы отрывается от вещества! Итак, свет появляется на свет лишь в первое миллионолетие Вселенной. Как не вспомнить в этой связи в свое время сильно смущавшую отцов церкви (и потому, наверное, вызвавшую сильный их гнев) фразу Смердякова из «Братьев Карамазовых»: «Свет создал господь бог в первый день, а солнце, луну и звезды — на четвертый. Откуда же свет-то сиял в первый день?»
За сей каверзный вопрос его автор был, как известно, бит.
Как видно, новейшие открытия астрофизики, проливающие, так сказать, свет на одно из самых темных мест Библии, сегодня заодно позволили бы гораздо корректнее ответить любознательному герою Достоевского!
Вернемся,
3. Охота за большим косинусом
Многие аспекты теории «горячей» Вселенной, развитые отечественными и зарубежными учеными предсказывают существование неоднородности — анизотропии — в микроволновом фоновом излучении на уровне сотой и даже тысячной доли процента. Второе десятилетие подряд на 600-метровом радиотелескопе АН СССР, или сокращенно РАТАН-600, и других крупнейших радиотелескопах планеты предпринимаются отчаянные попытки обнаружить мелкомасштабную анизотропию реликтового излучения, что помогло бы астрофизикам и космологам разобраться, как шло развитие отдельных «кирпичиков» нашей Вселенной. Чувствительность имевшихся приборов позволяет оценить лишь верхний предел неоднородности: 10 – 4–10 – 5. Однако не меньший интерес представляет рассмотрение и таких вопросов: как происходило развитие первичного огненного шара? Всегда ли Вселенная расширялась с одинаковым темпом? Наконец, как Земля и Солнечная система движутся относительно «первичной» Вселенной?
Ответить на эти вопросы можно, если знать, как распределяется радиояркостная температура фонового излучения на небесной сфере. Иными словами, насколько однородно или неоднородно реликтовое излучение, подчиняется ли оно, скажем, законам тригонометрического косинуса или каким-либо иным? На жаргоне астрофизиков новое научное направление получило название «охота за большим косинусом в небе».
Название, конечно, шутливое. А вот поиски были развернуты нешуточные.
Не будем перечислять всех подчас весьма изощренных экспериментов, к которым прибегали исследователи многих стран, пытаясь измерить реликтовое излучение. Главное условие всех опытов — поистине космическая точность, чувствительность измерений. Об уровне требований, предъявляемых к приборам, красноречиво говорит такое сравнение. Чтобы определить метеорологическую обстановку в каком-либо районе Земли, приходится определить температуру земной суши и поверхности океана с точностью до градуса; приборам, диагностирующим состояние здоровья человека, необходимо измерять температуру его тела с точностью до 0,1 градуса. Но чтобы решить задачу, связанную с «самочувствием» Вселенной, радиоастрономам было бы желательно знать температуру с точностью до стотысячной доли градуса. Последнее же означает, что если ложку кипятка размешать в бассейне холодной воды, то в этом случае температура как раз и «подскочит» на такую долю градуса!
Ну а в дальнейшем эту самую «ложку кипятка» экспериментаторы должны суметь разглядеть на фоне «Ниагарского водопада», горячей воды, низвергаемой с небес Солнцем, атмосферой, летящими в небе самолетами и т. д. и т. п.
Пытаясь избежать помех, американские и итальянские радиоастрономы стали проводить наблюдения с борта самолета, аэростатных гондол, поднятых на высоту до 20 км. Однако и в этом случае точность и эффективность опытов были очень низки. Так, за 15 лет исследований реликтового излучения, проводимых с самолетов и аэростатов, американские радиоастрономы работали в режиме измерения лишь 240 ч, то есть на год подготовки приходилось менее суток «чистого» наблюдательного времени.