Первый свет Вселенной

Краткая история всего

Давным-давно наша бесконечная Вселенная была, вероятно, совсем маленькой. Задолго до того, как сформировались космические объекты и структуры, в первые мгновения своей жизни, она могла быть сжата до размера персика, однако быстро росла с постоянным ускорением. В свои «детские» годы Вселенная представляла собой горячую, плотную и непрозрачную плазму, содержащую как материю, так и энергию. Когда размер видимой Вселенной составлял всего лишь одну стомиллионную часть от нынешнего, ее температура была на 273 млн градусов выше абсолютного нуля, а плотность материи сравнима с плотностью воздуха у поверхности Земли. Расширяясь, Вселенная остывала, и температурные условия позволили появиться частицам – таким как протоны.

Первоначально вся материя была настолько плотной, что, когда частица света – фотон – пыталась переместиться из одной точки в другую, она не могла не взаимодействовать с электронами и протонами, сталкиваясь с ними и рассеиваясь. В конце концов Вселенная достаточно остыла, чтобы образовался нейтральный водород, с которым фотоны реликтового излучения очень слабо взаимодействуют. Проведя 380 тыс. лет после Большого взрыва в весьма «стесненных обстоятельствах», частицы света наконец смогли двигаться свободно, и «воссиял» первый свет Вселенной. Реликтовое излучение, или космический микроволновый фон – это «отсвет» той далекой эпохи, который не угас даже за миллиарды лет.

Поведение фотонов реликтового излучения, движущихся через раннюю Вселенную, можно сравнить с поведением видимого света в атмосфере Земли. Он свободно распространяется в чистом воздухе, но капли воды в облаках рассеивают его. Поэтому в пасмурный день ничто не мешает нам видеть облака, а вот то, что находится за ними, уже не разглядеть. Так и космологи, исследующие реликтовое излучение, могут смотреть сквозь большую часть Вселенной до того времени, когда она была непрозрачной. Плотная космическая «завеса», закрывающая от нас первые сотни тысячелетий из жизни Вселенной, называется поверхностью последнего рассеяния – на ней сегодняшние фотоны реликтового излучения последний раз рассеялись материей. Создавая карты температуры «первобытной» радиации, ученые картографируют именно эту поверхность.

Реликтовое излучение нельзя увидеть невооруженным глазом, но во Вселенной оно буквально повсюду. Его «прозрачность» для человеческого глаза обеспечена тем, что в настоящее время оно очень холодное, всего лишь –270,4 °C, и потому светит в основном в микроволновой части электромагнитного спектра. Если бы мы хоть на секунду обрели способность видеть микроволны, то сразу бы заметили, что все небо светится удивительно равномерно, куда бы мы ни смотрели, поскольку температура реликтового излучения однородна.

Хотя микроволновое излучение нашим глазам недоступно, все же существует способ «поймать» его без дополнительного оборудования, и даже не выходя из дома. Для этого достаточно включить аналоговый телевизор и начать настройку каналов. Статические помехи, которые вы увидите, – это, в том числе, и свет с того момента, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы электроны перестали «мешать» фотонам «путешествовать» по космическому пространству. Выходит, что, включая телевизор, мы можем увидеть «привет» из далекого прошлого.

От предсказания до открытия

Существование реликтового излучения впервые предсказали в 1948 году. Команда американских ученых (космологи Ральф Альфер (Ralph Alpher), Георгий Гамов (George Gamow) и Роберт Херман (Robert Herman)) проводила исследования, связанные с нуклеосинтезом легких элементов (таких как водород, гелий и литий), после Большого взрыва. Они пришли к выводу, что, чтобы синтезировать ядра этих элементов, Вселенная на первых этапах своего существования должна была быть очень горячей. Ученые также предположили, что оставшееся излучение «горячего Большого взрыва» пронизывает Вселенную и может быть обнаружено в виде заметно остывшего реликтового излучения.

Почти через 20 лет после первых теоретических представлений о реликтовом излучении его существование доказали. Произошло это случайно. Американские астрономы Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Уилсон (Robert Wilson) изучали слабые микроволновые сигналы Млечного Пути, когда обнаружили таинственный шум неизвестного происхождения. Сначала они решили, что это помехи, за которые могли быть ответственны голуби, поселившиеся на антенном оборудовании. Незаконных «жильцов» сразу же выселили. Однако чистое и отремонтированное оборудование продолжало регистрировать все тот же назойливый шум. В конце концов Пензиас и Уилсон поняли, что странный сигнал реален, и заявили о своем открытии. Впоследствии оно определило представления ученых о том, как родилась Вселенная. За свою находку Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году с формулировкой «за открытие микроволнового реликтового излучения».

Реликтовое излучение и теория Большого взрыва

К середине ХХ века существовали две конкурирующие теории происхождения Вселенной. Согласно одной из них – теории стационарного состояния, – материя постоянно создается по мере расширения вечно существующей Вселенной, и ее общая плотность не меняется со временем. Другая, широко известная сегодня теория Большого взрыва, указывает на то, что расширяющаяся Вселенная была более плотной и очень горячей в прошлом, и в самом начале была точкой бесконечной плотности. Именно в рамках этой теории Вселенная должна была заполниться остаточным теплом от Большого взрыва – им и считают реликтовое излучение. Его открытие обеспечило прочную основу теории Большого взрыва, которую впоследствии укрепили десятилетия исследований космического микроволнового фона.

Первые карты «первобытного» излучения

К изучению прошлого Вселенной подключались все новые приборы и аппараты – один другого чувствительнее. Данные для первой карты реликтового излучения собрали в рамках миссии NASA Cosmic Background Explorer (COBE), с 1989 по 1993 год. Благодаря спутнику COBE стало известно, что тепло, оставшееся после Большого взрыва, было однородно с точностью до одной части на 100 тыс., и, соответственно, с вероятностью 1 из 100 тыс. все «уголки» юной Вселенной одновременно и одинаково претерпевали одни и те же изменения по мере ее «взросления». Установленная однородность температуры космического микроволнового фона стала еще одной причиной считать реликтовое излучение остаточным теплом Большого взрыва, поскольку ученым, как бы они ни старались, не удалось представить себе локальный источник радиации, который мог бы отличиться такой равномерностью. Очевидно, оно исходило от всей Вселенной в то время, когда она была намного горячее и плотнее, чем сейчас.

После COBE за исследования взялся его более чувствительный коллега – космический аппарат NASA WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), проработавший с 2001 по 2010 год. Благодаря ему выяснилось, что первые звезды засияли намного раньше, чем предполагалось, – примерно через 200 млн лет после Большого взрыва. Но самое интригующее открытие WMAP – обнаружение участка неба в созвездии Эридана, оказавшегося в четыре раза холоднее, чем средние колебания температуры космического микроволнового фона. Эта аномалия получила название «реликтовое холодное пятно»: ее существование подтвердили другие исследования, но происхождение до сих пор остается тайной.

На смену WMAP в 2009 году пришла более совершенная космическая обсерватория Европейского космического агентства – «Планк», проработавшая до 2013 года. За время работы «Планк» уточнил возраст Вселенной, которая оказалась немного старше, чем думали ученые, и изучил крошечные (всего на доли градуса) температурные колебания реликтового излучения. Предполагается, что едва заметные отклонения температуры космического микроволнового фона обусловлены тем, как распределялась материя в ранней Вселенной, и их можно представить как «семена», из которых вырастут звезды и галактики.

Карта неба на основе данных микроволнового излучения, собранных обсерваторией «Планк» во время первого обзора всего неба. На изображении видны «отголоски» Большого взрыва, оставшиеся с зари Вселенной. Фото: ESA/ LFI & HFI Consortia, space.com

Вперед в прошлое

Вглядываясь в космос, мы смотрим в прошлое. Например, замечая на небе яркий Юпитер, мы оглядываемся на час назад – столько требуется времени на то, чтобы свет от газового гиганта достиг Земли. Любуясь звездами, видимыми невооруженным глазом, мы наблюдаем их такими, какими они были от 10 до 100 лет назад. Свет от галактики Андромеды, расположенной сравнительно «недалеко» от Млечного пути, – летит до Земли на протяжении долгих 2,5 млн лет. Так и реликтовое излучение позволяет земным ученым получить от совсем молодой Вселенной «весточку», в которой содержатся намеки на ее детство и юность.