Реликтовое излучение

Речь идет о фоновом космическом радиоизлучении, которое образовалось на ранних стадиях развития Вселенной. Это электромагнитное излучение приходит к Земле с одинаковой интенсивностью со всех областей неба и имеет спектр, соответствующий тепловому излучению при температуре T = 2,725 ± 0,002 К. Поскольку источник реликтового излучения лежит дальше всех известных объектов, а максимум в спектре приходится на длину волны 1 мм, его называют также космическим микроволновым фоновым излучением (cosmic microwave background radiation, CMBR), или космическим микроволновым фоном, или еще короче – реликтовым излучением. Этот термин ввел советский астрофизик И. С. Шкловский (1916–1985), поэтому он чаще используется в русскоязычной литературе.

Существование теплового излучения с температурой в несколько кельвинов было предсказано в 1946 году Георгием Гамовым при разработке модели горячей Вселенной, а открыли его в 1965 году американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон. Реликтовое излучение родилось около 14 млрд лет назад, когда Вселенная в целом была значительно плотнее и горячее, чем в нынешнюю эпоху. Тогда это было оптическое излучение горячего газа с температурой в несколько тысяч кельвинов, практически однородно заполнявшего всю Вселенную. В ходе расширения Вселенной температура реликтового излучения уменьшилась примерно в тысячу раз.

Точные измерения показали, что температура реликтового излучения в разных точках неба не совсем одинакова. Заметнее всего проявляется дипольная составляющая, связанная с эффектом Доплера. Солнечная система движется так, что амплитуда дипольной составляющей температуры реликтового излучения DT = 3,35 мК; это соответствует скорости движения V = 366 км/с. Движется Солнце относительно излучения в направлении границы созвездий Лев и Чаша, к точке с экваториальными координатами α = 11^h 12^m и δ = –7,1° (эпоха J2000,0), что соответствует галактическим координатам l = 264,26° и b = 48,22°.

Учет движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении l = 93° и b = –4°. Поэтому движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении l = 269° и b = +29° (т. е. α = 10^h 40^m, δ = –25°; это центр созвездия Гидра).

Если исключить дипольную неоднородность, вызванную движением Местной группы галактик, то реликтовое излучение выглядит чрезвычайно однородным, всюду имеющим одинаковую температуру. Но именно это его свойство многие годы вызывало у астрофизиков недоумение. Реликтовое излучение стало свободно распространяться во Вселенной, когда ей исполнилось 380 тыс. лет. До этого момента заполнявшая пространство Вселенной плазма не позволяла фотонам свободно летать, а поглощала и рассеивала их. Позже плазма остыла, электроны и протоны объединились в электрически нейтральные атомы – произошла рекомбинация, – и газ стал прозрачным для света. Фотоны полетели свободно и через 13,7 млрд лет достигли нас в виде радиоволн из-за большого красного смещения, вызванного расширением Вселенной.

Регистрируя сегодня реликтовые радиоволны, мы как бы видим плазменную стену, отделявшую младенческую Вселенную от юной Вселенной. Высокая однородность пришедшего оттуда излучения говорит о том, что и плазма в ту эпоху была очень однородной. Но откуда же тогда взялась высокая неоднородность вещества в нашу эпоху? Как образовался наш мир, в котором сравнительно плотные галактики и очень плотные звезды и планеты разделены почти идеально пустым пространством?

Гравитация способна усиливать флуктуации плотности, стягивая вещество туда, где изначально его плотность была хотя бы чуть-чуть выше, чем в соседних областях. Но это «чуть-чуть» должно было существовать уже в эпоху рекомбинации и оставить свой отпечаток на реликтовом излучении, а его никак не удавалось найти. Потребовалось вывести радиотелескопы в космическое пространство, где при отсутствии атмосферных помех все же удалось заметить неоднородность реликтового излучения на уровне тысячных долей процента (ΔT/T ~ 10^-5). Они выглядят как угловые флуктуации температуры излучения довольно мелкого масштаба (1–0,1°) и очень малой амплитуды (30–80 мкК). Эти флуктуации связаны с первичными акустическими волнами, заполнявшими в целом однородную Вселенную до эпохи рекомбинации, т. е. до красного смещения z = 1400, соответствующего возрасту Вселенной 380 тыс. лет.

Но расчеты показывают, что из столь малых неоднородностей за время жизни Вселенной под действием гравитации не могли вырасти галактики и их скопления. Вселенная должна быть более плотной и заполнена средой, усиливающей гравитацию, но при этом не создающей давления, препятствующего работе гравитационных сил. На существование этой среды указывают и другие астрономические наблюдения – за движением звезд в галактиках и самих галактик в их скоплениях. Эту среду называют темной материей. До сих пор астрофизики не разгадали ее природу, хотя по общей массе ее раз в пять больше, чем знакомого нам вещества. Темная материя проявляет себя лишь тяготением, не участвуя в других взаимодействиях – электромагнитном и ядерных. Поэтому ее часто называют «скрытой массой галактик».

Одна из гипотез, пытающихся объяснить темную материю, связывает ее с так называемыми слабовзаимодействующими массивными частицами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Это гипотетическое семейство массивных элементарных частиц, участвующих только в гравитационном и слабом ядерном взаимодействиях. Их присутствие во Вселенной (в частности, в гало галактик) могло бы объяснить парадокс скрытой массы. Никто еще не наблюдал эти частицы в лаборатории; пока это чисто теоретическое предположение. Но астрофизики считают их одними из наиболее вероятных претендентов на роль темной материи и упорно ищут. Их пытаются экспериментально обнаружить в космосе и на ускорителях, но пока надежных результатов нет.