Фон фотонов

Фон фотонов

В 1965 г. американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон обнаружили, что вся Вселенная пронизана электромагнитным излучением, приходящим на Землю изотропно, т. е. равномерно со всех направлений. Это третье из крупнейших открытий в космологии.

В 1965 г. радиоастрономы Лаборатории фирмы «Белл» Арно Пензиас и Роберт Вилсон обнаружили космическое реликтовое излучение. Максимум в спектре этого излучения лежит в миллиметровом диапазоне. Положение максимума отвечает температуре T = 2,7 K. Это открытие, удостоенное впоследствии Нобелевской премии, было сделано случайно: по признанию Вилсона, ни он, ни его коллега не думали о космологии и даже ничего не слышали о ней, когда зарегистрировали в своей антенне неустранимый изотропный сигнал, который они приняли за инструментальный шум. Смысл происшедшего прояснили физики-теоретики Принстонского университета

Максимум в спектре этого излучения приходится на миллиметровые волны, причем сам спектр, т. е. распределение по длинам волн (или частотам), совпадает по форме со спектром абсолютно черного тела. На языке квантов можно сказать, что в мире имеется газ фотонов, которые равномерно заполняют все пространство. Температура этого газа точно измерена: T = 2,725 K. Как видим, это очень низкая температура, она не выше трех градусов, считая от абсолютного нуля (по шкале Цельсия это −270°). Таких космических фотонов очень много во Вселенной: их почти в 10 млрд раз больше, чем протонов, если считать по числу частиц. В кубическом сантиметре пространства содержится примерно 500 реликтовых фотонов.

Само по себе изотропное космическое излучение не таит никаких особенных загадок. Это реликт, т. е. остаток, того состояния, в котором Вселенная находилась в очень далеком прошлом, в первые минуты своего расширения. В те времена в ней не было ни звезд, ни галактик, а все вещество распределялось в пространстве более или менее равномерно. Это можно себе представить, если мысленно обратить ход времени: глядя назад, мы увидим, что галактики не разбегаются, а сближаются между собой. И в определенный момент они должны перемешаться, так что их вещество окажется газом приблизительно однородной плотности. Этот газ должен быть очень горячим. Еще со школьной скамьи мы знаем, что при расширении тела охлаждаются, а при сжатии – нагреваются. Из физики известно также, что в горячем газе должны обязательно иметься фотоны, находящиеся с газом в термодинамическом равновесии. При расширении Вселенной фотоны не исчезают и должны сохраниться до современной эпохи.

Если бы во Вселенной присутствовало только обычное тяготение, разбегание галактик замедлялось бы со временем (подобно тому, как тормозится брошенный вверх камень). Однако в 1998—1999 гг. было установлено, что по крайней мере вторую половину своей истории Вселенная расширяется, наоборот, с ускорением. Этот факт свидетельствует в пользу существования антитяготения – всеобщего отталкивания. Новая энергия получила название «темной энергии». На рисунке показаны различные сценарии эволюции мира, в принципе допускаемые теорией. Наблюдения последнего десятилетия позволили выбрать вариант, который действительно реализуется, – ему соответствует красная кривая. В этом случае от начала космологического расширения до современной эпохи проходит приблизительно 14 млрд лет. При этом космологическое расширение происходит с замедлением первые 7 млрд лет, после этого расширение ускоряется

Так рассуждал еще в 1940-х гг. Георгий Гамов, некогда студент профессора Фридмана в Ленинграде. Он построил теорию «горячей Вселенной», которую называют еще теорией Большого Взрыва, и на ее основе смог предсказать само существование этого остаточного, реликтового излучения. Более того, он предсказал и нынешнюю температуру реликтовых фотонов. По его расчетам, она не должна превышать 10 K. В одной из научно-популярных статей (в 1950 г.) Гамов написал, что температура должна быть примерно три градуса абсолютной шкалы. Как выяснилось через полтора десятка лет, предсказание оказалось очень точным. Многие считают, что это было самое красивое количественное предсказание во всей космологической теории.

Но кое-что не до конца ясно и с реликтовым излучением. Космологам не удается понять, почему реликтовых фотонов так много (по сравнению с протонами). Впрочем, правильнее было бы сказать, что это вопрос не о фотонах, а, скорее, о протонах: почему их именно столько, сколько известно из наблюдений? Ответа пока нет. С этой проблемой не удалось справиться даже А. Д. Сахарову, который считал ее одной из самых принципиальных как в космологии, так и во всей фундаментальной физике.

Открытие и изучение реликтового излучения отмечено двумя Нобелевскими премиями. Первая присуждена в 1978 г. Пензиасу и Вилсону, вторая – в 2006 г. Джорджу Смуту и Джону Матеру, которые в 1992 г. доказали, что реликтовое излучение – это действительно термодинамически равновесный газ фотонов определенной температуры. Это было сделано с помощью американского спутника COBE (Cоsmic Background Explorer). Кроме того, COBE измерил слабую — на уровне тысячных долей процента – анизотропию фонового излучения. Последняя представляет собой «отпечаток» первоначально слабых неоднородностей вещества ранней Вселенной, которые позднее дали начало наблюдаемым крупномасштабным космическим структурам – галактикам и скоплениям галактик.

Георгий Гамов (1904—1968)за 15 лет до Открытия Пензиаса и Вилсона предвидел, что Температура Реликтового Излучения должна быть около Трех Градусов. Это было самое точное количественное предсказание в Космологии

В наши дни наблюдения реликтового излучения служат астрономам для изучения крупномасштабных свойств Вселенной. Самый яркий результат, достигнутый на этом пути в последние годы, касается геометрии трехмерного пространства, в котором происходит разбегание галактик. Начиная с Фридмана, космологи стремились выяснить тип геометрии реального пространства. Оказалось, что это обычная школьная эвклидова геометрия. Выходит, наш мир устроен не слишком сложно: по крайней мере его пространственная геометрия – самая простая из возможных.

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒