В 1956 году Фред Хойл (рис. 24.2) со своим американским коллегой Уильямом Фаулером (1911–1995) и английскими астрономами Маргарет и Джеффри Бербиджами показали, что элементы тяжелее гелия совершенно естественно рождаются в ходе ядерных реакций в горячих недрах звезд. Они вычислили, какое количество каждого элемента образуется на разных стадиях звездной эволюции и какая его часть возвращается в межзвездные газовые облака. Мы уже обсуждали процессы внутри звезд и то, как химические элементы выбрасываются в межзвездное пространство при взрывах сверхновых (см. главу 19). Результат работы Хойла с коллегами оказался замечательным: в этом процессе химические элементы формируются именно в таком соотношении, какое наблюдается в природе.
Рис. 24.2. Фред Хойл (1915–2001) во время своего визита в Финляндию в 1982 году. Фото: Markku Poutanen.
Более того, Хойл вместе с Роджером Тейлером показали, что весь гелий не мог образоваться в звездах. Если бы гелий, составляющий примерно четверть массы каждой звезды, образовался в реакциях термоядерного синтеза в недрах звезд, то их излучение было бы гораздо сильнее той яркости галактик, которая наблюдается. Примерно 90 % гелия должно было образоваться где-то в другом месте. Но если принять во внимание Большой взрыв, то вычисления хорошо согласуются с наблюдаемым количеством гелия.
Как раз в то время, когда в Англии Хойл и Тейлер рассчитывали последствия Большого взрыва, на другом берегу океана, в Принстоне, Роберт Дикке с коллегами начал поиски его остаточного излучения. Молодой член группы Джим Пиблз теоретически оценивал ожидаемые параметры этого излучения, а остальные участники работы создавали измерительные приборы. Но еще до начала их наблюдений это излучение случайно открыли другие. Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лабораторий «Белл» исследовали радиошумы, нарушающие телефонную связь. Они обнаружили, что некоторые шумы приходят из-за пределов Земли, а возможно, даже из-за пределов Галактики. Поэтому телефонная компания «Белл» мало что могла сделать для снижения шума; но все же — где он возникал?
Пензиас случайно услышал о семинаре, на котором незадолго до этого Пиблз рассказал об ожидаемом «эхе» Большого взрыва. Его свойства соответствовали наблюдаемому радиошуму. Так в 1965 году было открыто космическое фоновое излучение. За это открытие Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию (рис. 24.3).
Космическое фоновое излучение распределено по разным длинам волн в соответствии со спектром излучения абсолютно черного тела (рис. 24.4). Как мы уже знаем, этот спектр описывается единственным параметром — температурой. Чем выше температура, тем короче длина волны максимума излучения. Наблюдаемый пик фонового излучения в микроволновом диапазоне соответствует температуре 2,7 К. То, что его спектр в точности соответствует излучению абсолютно черного тела, было надежно доказано в 1992 году американской космической обсерваторией СОВЕ (Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона). За этот результат Джон Мазер и Джордж Смут разделили Нобелевскую премию в 2006 году.
Рис. 24.3. Рупорная антенна, с помощью которой Пензиас и Вильсон обнаружили космическое фоновое излучение.
Как раз такой спектр и должен быть у излучения горячего газа, оставшегося после Большого взрыва. Другой ключ к разгадке природы этого излучения был получен из его распределения по небу: оно оказалось изотропным, то есть приходящим равномерно из всех направлений в пространстве. Излучение немного усиливается (его температура выше) в направлении созвездия Лев, а самая низкая температура наблюдается в противоположной стороне неба. Эта особенность отражает движение Земли сквозь однородное поле излучения. Эффект Доплера делает встречное излучение чуть ярче и теплее, чем излучение, приходящее сзади. Измерение этой неоднородности позволяет определить движение Земли во Вселенной. Точнее, можно измерить скорость планеты относительно этого излучения, которое при своем рождении имело одинаковую интенсивность в разных частях Вселенной и теперь задает уникальную естественную систему координат для измерения движений (не следует путать это с неудачными попытками, предпринятыми в XIX веке, измерить наше абсолютное движение относительно эфира).
Рис. 24.4. Интенсивность излучения абсолютно черного тела при температуре 2,73 К (-270,42 °C) в зависимости от длины волны (сплошная линия) и наблюдения со спутника СОВЕ космического фонового излучения (точки).
По движению Земли сквозь фоновое излучение мы можем вывести движение всей Местной группы галактик. По-видимому, она «плывет» в сторону южного созвездия Гидра со скоростью 600 км/с. Фактически мы входим в состав широкого потока галактик, движущегося в этом направлении. Похоже, что частично это движение стимулировано притяжением к соседнему массивному скоплению Virgo (Дева), но еще сильнее действие значительно более далеких и крупных масс, притягивающих нашу и окружающие галактики в течение всей жизни Вселенной и придающих этому потоку большую скорость. Как мы знаем, элементами крупномасштабной структуры Вселенной служат сверхскопления галактик. За нашим Местным сверхскоплением с центром в скоплении Virgo находятся более крупные агрегаты; в числе ближайших — сверхскопление Гидры-Кентавра, лежащее недалеко от направления нашего движения. Этот или другие комплексы за ним могли породить поток галактик, в котором мы движемся.
В предшествующей истории космоса фоновое излучение было теплее, чем нынешнее, весьма холодное, с температурой всего 2,7 К. По мере расширения Вселенной длина волны любого излучения возрастает: волна растягивается вместе со Вселенной. Но при этом замечательно то, что сохраняется чернотельный спектр излучения, хотя его температура снижается: она уменьшается обратно пропорционально размеру Вселенной.
В эпоху, когда излучение освободилось от взаимодействия с веществом, температура газа составляла примерно 3000 К. С того момента это излучение начало свободно распространяться в нашу сторону, а Вселенная за это время расширилась в 3000/2,7 = 1100 раз во всех направлениях. Когда излучение тронулось в путь, возраст Вселенной был около 400 000 лет. А незадолго до этого момента случилось еще одно важное событие: в более раннюю эпоху главным космическим «элементом» было излучение, но как раз тогда его заменило в этой роли вещество. Поэтому космическое микроволновое излучение несет информацию об эпохе, когда произошла эта смена основного компонента Вселенной.
Используя формулу Эйнштейна (Е = mс2), мы можем вычислить энергию вещества, содержащуюся в некотором объеме пространства, и сравнить ее с энергией излучения в том же объеме. Эти две различные формы энергии реагируют на расширение пространства по-разному: излучение ослабевает быстрее, чем вещество. Может показаться, что неважно, в какой форме была космическая энергия: в форме излучения или вещества. Но это не так. Только вещество может образовать структуры, излучение же распределяется однородно. В мире, которым управляет излучение, не могли бы возникнуть реальные объекты, в том числе и мы с вами. Излучение разогнало бы материю при ее попытках сконцентрироваться.
Астрономические наблюдения обращены в прошлое. Чем дальше источник приходящего к нам света, тем более давнюю историю он нам рассказывает. Космическое микроволновое излучение приносит информацию об эпохе, удаленной на 14 млрд лет. Оно рассказывает нам о главном событии в истории Вселенной — о рождении первых атомов. До этого момента электроны и атомные ядра двигались независимо друг от друга (то есть газ был ионизован). Лишь после того, как плотность и температура достаточно снизились, электроны смогли занять свои стабильные места на орбитах вокруг ядер. Когда электроны оказались связанными в атомах, Вселенная стала прозрачной и свет получил возможность переносить информацию на большие расстояния. В нашу эпоху эти новости о том древнем событии составляют лишь малую часть шума, мешающего радио-и телевизионному вещанию (рис. 24.5).
Рис. 24.5. (а) В эпоху молодости Вселенной фотоны космического излучения не допускали формирования атомов водорода из протонов (+) и электронов (-). (6) Когда излучение ослабло, смогли образоваться атомы. В этот момент пространство стало прозрачным настолько, что фотоны смогли почти свободно перемещаться между атомами.
Кроме того, что фоновое излучение рассказывает нам о рождении атомов водорода, это к тому же исторический документ, рассказывающий о структуре мира в ту эпоху. Прочесть этот документ не так-то легко: структурные детали очень слабы — на уровне 0,00001 интенсивности излучения. Чтобы их заметить, понадобились спутники на околоземной орбите. Пионерами в этом деле были российская космическая обсерватория «Реликт-1» и американский спутник СОВЕ. Группа под руководством Джорджа Смута из Калифорнийского университета в Беркли объявила о результатах эксперимента СОВЕ в апреле 1992 года (позже выяснилось, что «Реликт-1» видел те же структуры, хотя и не так четко). Резко улучшил качество измерений американский спутник WМАР в 2003 году, но еще раньше начался вал открытий по результатам наблюдений с высотных аэростатов и наземных обсерваторий, расположенных в местах с подходящим климатом (например, в Антарктиде).
Теоретики ожидали, что наиболее заметные пятна с избытком излучения на микроволновом небе должны иметь угловой размер Луны. Легко понять, что размер таких пятен зависит от геометрии Вселенной. Мы уже объясняли в главе 15, что угол, под которым виден далекий объект, зависит от кривизны пространства. В сферическом пространстве объект кажется больше, чем в плоской эвклидовой Вселенной, а в гиперболическом пространстве он кажется меньше. Таким образом, измеряя размер пятен микроволнового излучения, можно точно измерить общую геометрию (рис. 24.6).