Первые три минуты - читать онлайн книгу. Автор: Стивен Вайнберг cтр.№ 43

Но, несмотря на все трудности, стандартная картина Вселенной, основанная на теории Большого взрыва, доверие научной общественности завоевала. Во-первых, у нас теперь больше убедительных наблюдательных свидетельств справедливости космологического принципа, являющегося, как мы говорили в главе 2, краеугольным камнем стандартной космологической модели. Этот принцип гласит: вещество во Вселенной, если усреднить по большим масштабам, распределено однородно и изотропно. В некоторый момент стало казаться, будто наблюдения идут вразрез с этим утверждением. Действительно, одна за другой открывались «великие» неоднородности: великий аттрактор, великие стены, великие пустоты и т. д. Однако сейчас более или менее ясно, что Вселенная все-таки однородна и изотропна – если усреднять по достаточно большим расстояниям, соответствующим относительной скорости примерно в 40 тысяч км/с. (Положив постоянную Хаббла равной 80 км/с на мегапарсеков, можно пересчитать эту скорость в расстояние: получим 500 мегапарсек, или 1,5 миллиарда световых лет.) Еще одно наблюдение в копилку космологического принципа – изотропия высокоэнергичного космического рентгеновского излучения, приходящего, по всей видимости, с расстояний больше, чем 500 мегапарсек.

Но самое очевидное наблюдательное доказательство теории Большого взрыва дают измерения реликтового фона, открытого, как известно, в 1965 г. В последнее время в этой области произошел заметный прогресс. Как говорилось в главе 3, если этот микроволновый фон действительно сохранился с эпохи ранней Вселенной, то распределение его интенсивности по длинам волн должно подчиняться хорошо известному закону. Такая же зависимость, изображенная на рис. 7, имеет место и для излучения нагретого тела с абсолютно поглощающими («черными») стенками. С 1965 г. то и дело поступали сообщения об обнаружении отклонений в спектре микроволнового фона от профиля, показанного на рис. 7, однако никто не мог сказать наверняка, действительно ли эти эффекты вызваны самим реликтовым излучением или к ним причастна земная атмосфера. В итоге 18 ноября 1989 г. ракетоноситель «Дельта» вывел за пределы атмосферы COBE («Спутник для исследований космического фона»). (В главе 3 я упомянул о том, что в момент, когда в 1977 г. «Первые три минуты» были уже подписаны в печать, я получил первый новостной бюллютень «Спутника для исследований космического фона», в котором излагались планы по его запуску. Сам спутник полетел лишь через 12 лет, однако наше терпение было вознаграждено.) За первые восемь минут полета установленный на спутнике микроволновый радиометр, измерив интенсивность фона на различных длинах волн, представил доказательство того, что спектр реликтового излучения является спектром абсолютно черного тела с точностью до одной тысячной, а эквивалентная температура равна 2,735 К (т. е. 2,735 градуса выше абсолютного нуля). Отклонения от закона излучения абсолютно черного тела, сообщения о которых время от времени появлялись в научной литературе в последние 20 лет, обнаружены не были. Согласие между теорией и экспериментом сейчас настолько хорошее, что мы практически уверены: фоновое излучение дошло до нас с той эпохи, когда Вселенная впервые стала прозрачной для фотонов – а это произошло примерно через миллион лет после Большого взрыва.

Все измерения на микроволновом радиометре COBE привязывались к эталонному источнику радиошума, погруженному в жидкий гелий – метод, аналогичный тому, который использовали Пензиас и Вильсон, когда открыли реликтовое излучение (см. главу 7). Однако весь гелий довольно быстро испарился, поэтому COBE уже не сможет уточнить измеренную им температуру. Впрочем, чтобы обнаружить различия в температуре излучения, приходящего к нам с разных направлений, жидкий гелий не нужен. Когда гелий закончился, COBE приступил именно к этим измерениям.

Надо ли говорить, что эти измерения неоднородностей температуры микроволнового фона в зависимости от направления на небе вызвали гораздо больший ажиотаж, чем измерения самой температуры. В первых наземных наблюдениях реликтового излучения в 1960-х гг. последняя получалась одинаковой в любом направлении. Это стало одним из доказательств того, что источником излучения является вся Вселенная, а не только наша Солнечная система или Галактика. Затем в 1977 г. группа экспериментаторов из Беркли измерила небольшую анизотропию (неоднородность) в распределении температуры по небесной сфере, вызванную движением Солнечной системы относительно реликтового фона со скоростью несколько километров в секунду. При этом по направлению движения наблюдается чуть большая температура, а в обратном – чуть меньшая. Но анизотропию, присущую самому излучению, заметить никому не удавалось.

Со временем это даже стало беспокоить. В конце концов Вселенная ведь не идеально однородная жидкость. По крайней мере часть вещества в ней собрана в галактики и в скопления галактик. Эти гравитационно связанные системы в свою очередь под действием силы тяготения выросли из меньших неоднородностей, присутствовавших во Вселенной еще тогда, когда она становилась прозрачной для излучения. Эти зародыши будущих галактик и скоплений неизбежно должны были привести к хоть каким-то неоднородностям в микроволновом фоне.

После стольких лет ожидания ученые, отвечавшие за COBE, в 1992 г. наконец сообщили об открытии малых неоднородностей в распределении интенсивности реликтового излучения по небу. Его температура менялась от точки к точке, в среднем на 30 миллионных градуса на всех угловых масштабах от 7° до 180°. Последующие аэростатные измерения подтвердили этот результат. Считается, что эту рябь в микроволновом фоне вызвало гравитационное поле сгустков вещества, присутствовавших во Вселенной, когда она становилась прозрачной для излучения – т. е. примерно через миллион лет после начала расширения. (Впрочем, некоторые теоретики утверждают, что эти неоднородности – во всяком случае частично – могут быть вызваны гравитационными волнами, родившимися еще раньше.) Но эти сгустки, приводящие к анизотропии в спектре реликтового излучения, не имеют отношения к зародышам будущих галактик и скоплений галактик. Чтобы заметить последние, надо уметь измерять вариации температуры фона с угловым разрешением гораздо меньше 7°. Такие эксперименты стоят следующими на повестке дня. В них будут использоваться микроволновые антенны, установленные на аэростатах или на Южном полюсе. Большая высота и сухой воздух обеспечат практически идеальные условия для наземных наблюдений.

К сожалению, теория образования галактик далека от завершения. Это и неудивительно, ведь мы даже не знаем, из чего состоит галактика. Если предположить, что ее масса собрана в основном в светящихся звездах, то средоточием массы должны быть самые яркие центральные области галактик. Тогда на звезды, расположенные вне этих областей, должна действовать сила всемирного тяготения, обратно пропорциональная квадрату расстояния от центра галактики. Именно по такому закону, например, планеты в Солнечной системе притягиваются к Солнцу. Их скорости при этом падают обратно пропорционально квадратному корню из расстояния. Так же должны были бы уменьшаться и скорости внешних звезд в галактике. Но их измерения в спиральных галактиках показывают: они остаются более или менее постоянными вплоть до самых больших расстояний. Это означает, что масса галактики сконцентрирована не в центре (там, где свет), а распределена в пределах обширного гало невидимой «темной материи».