7. Свет Большого взрыва

Америку открыл Колумб, хотя викинги еще за сотни лет до открытия торговали с индейцами. Аналог эпохи великих географических открытий в астрофизике — 1960-е годы. Открытия шли одно за другим с интервалом в год: квазары, пульсары, реликтовое микроволновое излучение, гамма-всплески и ряд других, относительная важность которых зависит уже от точки зрения. Наиболее прямое отношение к нашей истории имеет реликтовое излучение. Лавры открытия принадлежат Арно Пензиасу и Роберту Вильсону, хотя архивные раскопки показывают, что микроволновое излучение уже видели раньше — прямо или косвенно. Так, в 1941 году канадский астроном Эндрю Маккеллар увидел в спектре поглощения звездного света межзвездным газом молекулярные линии, которые требуют постоянной накачки тепловым излучением с температурой 2,5 градуса Кельвина. Это отметили как загадочный факт и прошли мимо.

_{7.1. Арно Пензиас (справа) и Роберт Вильсон. Фото из архива Jodrell Bank Centre for Astrophysics}

«Википедия» сообщает, что в 1955 году аспирант Тигран Шмаонов, работая в Пулковской обсерватории, обнаружил изотропный фон с температурой 4-5 К. Это было опубликовано в журнале «Приборы и техника эксперимента» и забыто. Наверняка кто-нибудь еще наблюдал реликтовое излучение, принял его за артефакт и пошел дальше.

И все-таки Америку открыл Колумб, а реликтовое излучение открыли Пензиас с Вильсоном. Все-таки слово «открытие» подразумевает «открытие миру», а не только себе. Здесь многое зависит и от исторического контекста. Для Пензиаса и Вильсона он был самым благоприятным.

Выше, перечисляя физические характеристики Вселенной, мы упоминали ее температуру, уменьшающуюся в ходе расширения. Соответствующая теория изначально горячей Вселенной была предложена Георгием Гамовым в конце 1940-х. Кстати, насколько Вселенная горяча? Этот вопрос Гамов пытался решить вместе с Ральфом Альфером и Робертом Германом: настолько горяча, чтобы в первые минуты ее существования «правильно» прошли ядерные реакции протонов и нейтронов, синтезировав наблюдаемое количество гелия. Более научная формулировка вопроса «насколько горяча» звучит следующим образом: «Какова удельная энтропия Вселенной?» — иными словами, сколько фотонов приходится на один протон. Ядерные реакции в ранней Вселенной шли при температуре в десятки и сотни килоэлектронвольт. Из наблюдаемого количества гелия можно определить концентрацию протонов с нейтронами (барионов) в тот момент — от плотности будет зависеть, сколько из них успеют слиться в ядра гелия. А поскольку плотность фотонов однозначно определяется температурой, то из требуемой плотности барионов получается соотношение примерно 10⁹ фотонов на один барион. Это отношение в ходе расширения Вселенной не меняется. Значит, и сейчас на каждый барион приходится около 10⁹ фотонов. И тогда современная температура Вселенной, точнее, температура излучения, оставшегося от былого теплового равновесия, должна быть 3-5 градусов Кельвина, что соответствует микроволновому диапазону. Впоследствии стало ясно, что эта оценка содержит ошибку и совпала с правильным значением случайно: только из концентрации гелия точно определить температуру сложно (зависимость довольно слабая), для этого нужна концентрация дейтерия, а тогда она не была известна.

_{7.2. Георгий Гамов. Фото с сайта www.aip.org}

Долгое время результат Гамова с Альфером и Германом оставался в статусе сугубо теоретической модели. Кажется, никому не приходило в голову, что это проверяемо и, тем более, уже косвенно подтверждено. Ситуация изменилась только в 1960-е. Так, в 1964 году Андрей Дорош-кевич и Игорь Новиков обнародовали оценки, показывающие, что реликтовое излучение вполне может быть зарегистрировано с помощью уже существующей техники. В том же 1964 году Роберт Дикке с сотрудниками приступает к созданию изобретенного им специально для обнаружения реликтового излучения радиометра. В то же время Пензиас и Вильсон с похожим радиометром начинают астрофизические наблюдения. Обнаруживают тепловой шум, одинаковый по всем направлениям. Долго пытаются устранить этот шум, принимая его за технический артефакт. Наконец, Дикке с коллегами объясняют Пензиасу и Вильсону, что они обнаружили. Таким образом, открытие сделано случайно, но уже в то время, когда его ждали.

До сих пор реликтовое излучение остается главным источником информации в космологии. Карта реликтового излучения отражает карту неоднородностей плотности нашей Вселенной возраста 380 тыс. лет — фактически это ее детская фотография. Именно тогда плазма превратилась в нейтральный газ (момент рекомбинации) и фотоны пустились в свободное путешествие, постепенно смещаясь в красную, потом в инфракрасную, потом в микроволновую область из-за расширения Вселенной. После рекомбинации наступили темные века (dark ages), когда не существовало никаких ярких объектов, которые можно было бы обнаружить современной техникой. И только где-то через 700 млн лет из тьмы выплывают первые галактики и квазары, обнаруженные недавно в инфракрасном диапазоне. Еще до них зажглись первые звезды, не связанные с галактиками. Но этого мы пока не видим. Самый первый известный на сегодняшний день сигнал, возвестивший об окончании темных веков, — гамма-всплеск с красным смещением z = 8,2, испущенный сколлапсировавшей звездой через 630 млн после рождения Вселенной.