Карта Вселенной - читать онлайн книгу. Автор: Приямвада Натараджан cтр.№ 50

Открытое Пензиасом и Вильсоном реликтовое излучение и ряд данных, полученных другими группами в ходе исследований с использованием воздушных шаров и наземной аппаратуры, дали ученым серьезные доказательства в пользу теории Большого взрыва. За 26 лет, прошедших с момента, когда спутник COBE провел первые точные измерения, было запущено еще два специально спроектированных спутника, которые уже завершили свои миссии и позволили получить более детальную картину Вселенной — слабо различимые отпечатки на спектре реликтового излучения. Первым таким спутником стал космический зонд «Зонд по изучению анизотропии микроволнового излучения» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, названный в честь ученика Дикке, который скоропостижно скончался в 2002 г.), а вторым был европейский спутник Planсk, названный в честь великого немецкого физика Макса Планка.

Полученные результаты позволили существенно дополнить наши знания относительно горячего Большого взрыва, а также проверить некоторые модели элементарных частиц и парадигмы, связанные с формированием общей структуры Вселенной. В настоящее время предполагается, что она возникла из-за мелких флуктуаций распределенного вещества в самые ранние эпохи. В нашей Вселенной, где доминирует темная материя, гравитация усиливает эти крошечные начальные флуктуации и неоднородности, породившие скопления массы, из которых в конечном итоге образовались первые звезды и первые галактики. Скучивание вещества и последующее слияние, которые привели к образованию галактик, оставили отпечатки в реликтовом излучении. Вариации температуры на минимальном уровне в одну миллионную долю коррелирует с распределением вещества, через которое прошло реликтовое излучение за время его длительного распространения во времени и пространстве. Миссии, которые последовали за COBE, выявили эти невероятно слабые образы горячих и холодных пятен с высокой точностью. Помимо изображений пятен реликтовое излучение содержит и другую информацию, которая подтверждает его первичное происхождение. Сейчас астрономы умеют обнаруживать и объяснять малейшие неоднородности. Реликтовое излучение оказалось чрезвычайно однородным, вследствие чего разница в значении температуры для двух измеряемых точек заметна лишь в пятом знаке после запятой. Физик Деннис Сиама предположил, что при движении Земли через реликтовое излучение должен проявляться доплеровский сдвиг (о котором говорилось выше при рассмотрении открытий Хаббла), причем сдвиг частоты должен составлять около одной тысячной, из-за чего температура излучения должна быть немного (примерно на одну тысячную) выше в направлении по курсу движения. И наоборот, позади движения температура будет ниже. Это предсказанное отклонение от однородности распределения температуры может быть измерено. Cамо реликтовое излучение в этом случае можно рассматривать в качестве своеобразного «космического эфира», заполняющего всю Вселенную. Возникающие при этом специфические вариации температуры излучения на небесной сфере были названы дипольной анизотропией. Уже в начале 1970-х гг. обнаружение дипольной анизотропии стало считаться очень важной задачей, и ее пытались решить, используя передовые технологии, которые включали наземные телескопы и воздушные шары. При таких измерениях было очень важно тщательно измерить движение Земли, потому что только тогда могли проявиться другие источники неоднородности, являющиеся ключом к построению всего космологического здания.

Предложение Мазера о проекте COBE последовало в ответ на обращение НАСА к ученым с призывом использовать новые идеи для экспериментов в космическом пространстве. Разработка и применение технически совершенного инструментария сочетались со сложностью теории, которую требовалось проверить. К тому времени уже были разработаны детальные теории формирования структур. Кульминацией стала теория формирования галактик, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Физики Яков Зельдович и Роберт Харрисон независимым образом предсказали, что эволюция малых флуктуаций плотности вещества при формировании структур во Вселенной с доминированием холодной темной материи должна оставлять свой след на фотонах излучения, двигающихся в пространстве. Формирующиеся галактики должны были привести к малым флуктуациям температуры реликтового излучения. Такие теоретические расчеты теперь можно было с высокой степенью точности проверить в рамках теории, проработанной ранее Пиблсом. Поэтому, как только эта парадигма холодной темной материи будет подтверждена, можно делать более сложные проверяемые прогнозы. Возникла возможность описания процесса эволюции всего вещества (то есть и обычной, и темной материи) во всей его сложности и с учетом взаимодействия с пролетающими фотонами излучения с помощью численного моделирования, позволяющего затем вычислять ничтожные отклонения температуры реликтового излучения. Отметим еще раз: численное моделирование стало незаменимым и мощным средством для отбора и проверки моделей в сочетании с наблюдательными измерениями. Как и в случае с темной материей, возрастание сложности и чистой вычислительной мощности, которые были частью компьютерной революции, оказалось критически важным для высокоточных предсказаний по модели, применяемой для интерпретации спутниковых данных.

Высокочувствительная аппаратура на борту спутника COBE позволила зарегистрировать те ничтожные колебания температуры реликтового излучения, вызванные влиянием материи за время путешествия через космическое пространство. Я до сих пор живо вспоминаю, как, будучи студенткой, в маленьком, забитом публикой лекционном зале MIT слушала на семинаре в 1989 г. доклад Джорджа Смута, главного исследователя программы дифференциального микроволнового радиометра, установленного на борту спутника COBE. Полученные результаты внушали благоговение. Данные со спутника COBE настолько точно ложились на гладкую теоретическую кривую излучения черного тела, что на рисунке ошибки измерения оказывались меньше толщины линии, прочерченной принтером. Физики пребывали в эйфории, а каждая крупная газета сообщала об открытии торжественными заголовками. Например, в The New York Times статья была озаглавлена так: «Ученые сообщают о глубоком понимании того, как начиналось время» (Scientists Report Profound Insight on How Time Began); или в лондонской The Independent: «Как начиналась Вселенная?» (How the Universe Began)^{17}.

После открытия и измерения характеристик реликтового излучения космология, которую давно уже тревожили серьезные неопределенности в описании самых важных параметров и свойств Вселенной, таких как ее возраст и постоянная Хаббла, стала точной наукой. До миссии спутника COBE (и последовавших за ним спутников WMAP и Planck) космология имела репутацию спекулятивной и даже считалась несколько незрелой по сравнению с другими областями физики, такими как физика элементарных частиц, где уже давно использовались развитые количественные методы исследований, а вычисления с точностью до 14-го знака после запятой стали привычными. Запуск COBE ознаменовал начало эры точной космологии и ее превращение в уважаемую область знаний. К этому же времени — 1980-е и 1990-е гг. — в космологии наладилось плодотворное синергетическое взаимодействие между теоретиками и астрономами-наблюдателями.

Космологи не могут, конечно, манипулировать в лабораториях с объектами своих исследований. Однако, несмотря на это принципиальное ограничение — неспособность осуществлять контролируемые эксперименты, космология после измерений реликтового излучения заслужила легитимность в качестве количественной науки. Ее развитие привело к взрывному росту высокоточных данных о начальном периоде развития Вселенной, которые позднее были дополнены данными, полученными с использованием аппаратуры, установленной на спутниках WMAP и Planck. Разрешающая способность приборов спутника WMAP, запущенного в 2001 г., была в 30 раз выше, чем у приборов спутника COBE, а у приборов спутника Planck (2009) она возросла еще в 2,5 раза в дополнение к увеличению числа частотных каналов с повышенной чувствительностью. Наши познания о тонкостях взаимодействия вещества и излучения в истории космоса после запуска спутника Planck будут расти феноменально. В настоящее время границы исследования реликтового излучения лежат в области поляризации. Поляризация волн излучения означает свойства волн, подобно свету, колебаться более чем в одном направлении.