Открытие реликтового излучения (его также называют микроволновым фоновым излучением) принадлежит к числу величайших достижений космической науки за всю ее многовековую историю. Его официальной датой считается дата публикации крохотной заметки американских радиоастрономов Арно Пензиаса и Роберта Вильсона и короткой статьи принстонских физиков Роберта Дикке, Джеймса Пиблза, Питера Ролла и Дэвида Вилкинсона, которые появились в The Astrophysical Journal от 1 июля 1965 г. Пензиас и Вильсон детектировали ранее неизвестное космическое излучение на своем радиотелескопе, а их принстонские коллеги объяснили его природу и поделились планами его дальнейшего исследования. Однако почти за полтора месяца до выхода журнала весь мир узнал об открытии из статьи старейшины американской научной журналистики Уолтера Салливана «Сигналы подтверждают Большой взрыв Вселенной», напечатанной 21 мая на первой странице газеты The New York Times. Обе научные статьи тогда уже были отправлены в The Astrophysical Journal — 7 и 13 мая. Поэтому сенсационная публикация Салливана базировалась на весьма оперативной утечке информации из редакции этого издания. Кто ее устроил, до сих пор неизвестно.

Как бы то ни было, в 2020 г. открытию исполнилось 55 лет — дата хоть и не круглая, но вполне почтенная. Она предоставляет повод восстановить последовательность событий, имеющих отношение к этому открытию. Причем не только тех, которые реально привели к первому детектированию реликтового излучения, но и тех, которые могли бы завершиться — но все же не завершились! — таким же победным финалом. И их было немало.

Однако для полноты картины начнем не с истории науки о космосе и не ею закончим. В следующем разделе будет рассказано о современном понимании природы реликтового излучения и физических механизмов его возникновения. Во втором и третьем разделах речь пойдет о работах астрономов, которые фактически наблюдали реликтовое излучение, а также трудах физиков-теоретиков, предсказавших его существование до детектирования. В четвертом разделе вспомним радиоастрономические наблюдения 1940-х — начала 1960-х гг., которые, как ясно сейчас, косвенно указывали, что космическое пространство может быть равномерно заполненным изотропным электромагнитным излучением, не связанным ни с какими локальными источниками. Пятый раздел будет посвящен самому детектированию реликтового излучения, а шестой — последующей проверке и шлифовке начальных результатов. В седьмом и восьмом разделах поговорим о физических причинах температурных флуктуаций реликтового излучения и о том, какая информация об истории мироздания в них зашифрована. Последний раздел будет посвящен современному статусу космологии.

Происхождение реликтовых фотонов

В нашем столетии астрофизики и космологи построили Стандартную модель происхождения и последующей эволюции Вселенной. Она основана на предположении, что мироздание возникло в результате квантового катаклизма, природа которого пока еще непонятна. Эту начальную фазу его существования часто называют Большим взрывом.

Строго говоря, Стандартная модель начинает работать не сразу после Большого взрыва, а с некоторой отсрочкой. Большинство космологов согласны с тем, что за Большим взрывом последовало чрезвычайно кратковременное, но очень быстрое (как его называют, инфляционное) расширение пространства, которое закончилось интенсивным возникновением высокоэнергетичных частиц, в частности свободных кварков и лептонов. После этого сверхгорячая, но уже остывающая ранняя Вселенная начала расширяться с уменьшающейся скоростью вследствие тормозящего действия гравитации.

Теория инфляции примыкает к Стандартной модели как ее экстраполяция на более раннюю эпоху. Согласно этому сценарию, к концу первой микросекунды произошла так называемая Великая аннигиляция, уничтожившая все антикварки, однако пощадившая возникший до этого мизерный избыток кварков. С того времени эволюция Вселенной поддается моделированию на основе надежных данных фундаментальной физики. Именно эту эволюцию и описывает Стандартная модель.

Итак, что же происходило на следующих этапах? Когда возраст Вселенной достиг 10 микросекунд, энергия свободных кварков уменьшилась настолько, что они начали сливаться в тройки и пары. Первый процесс породил частицы семейства барионов — протоны и нейтроны, которые в будущем стали кирпичиками для построения атомных ядер. Попарное слияние привело к появлению крайне нестабильных частиц из семейства мезонов — в основном пионов. На каждый барион приходилось около 1 млрд высокоэнергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла около 4 трлн K.

К концу первой секунды Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой, причем основной вклад в ее энергию тогда вносили не барионы и фотоны, а высокоэнергетичные лептоны, прежде всего электроны и позитроны. Они существовали в столь же ничтожном дисбалансе, как кварки и антикварки, однако все же не аннигилировали полностью, поскольку при высокой температуре гамма-кванты рождали все новые и новые электронно-позитронные пары. Эту фазу ранней истории Вселенной называют лептонной эрой (а предшествующую ей — адронной). Диаметр ныне доступной для наблюдений части Вселенной в те времена был меньше сотни астрономических единиц, то есть сильно уступал по величине современной Солнечной системе.

Лептонная эра продолжалась до тех пор, пока гамма-квантам хватало энергии для порождения электронов и позитронов. Кванту легче всего претерпеть подобное превращение в процессе рассеяния на протоне, поскольку в этом случае его минимальная энергия должна быть равной суммарной энергии электрона и позитрона, то есть несколько больше 1 млн электронвольт (для рассеяния на электроне или позитроне пороговая энергия вдвое выше). 1 МэВ соответствует средней температуре излучения порядка 11,6 млрд K. Из-за расширения Вселенной температура фотонного газа изменялась обратно пропорционально увеличению ее размера (на формальном языке — росту масштабного фактора). Поэтому она постоянно снижалась и, когда возраст мироздания составил примерно одну секунду, достигла тех самых 11,5 гигакельвинов. Однако образование пар (все в меньшем и меньшем количестве) продолжалось и позднее за счет горячего хвоста фотонного спектра, где еще оставались высокоэнергетичные кванты. Лишь спустя несколько секунд, когда температура фотонов опустилась ниже 4 млрд K, оно прекратилось полностью. К моменту, когда Вселенной исполнилось десять секунд, лептонная эра ушла в прошлое. Подобно кварковой эре, она оставила после себя очень горячую плазму, чья энергия почти полностью обеспечивалась фотонами. Началась новая эра — радиационная.

В преддверии радиационной эры материя Вселенной претерпела еще одно серьезное превращение. Помимо ранее названных частиц, в наследство от кварковой эры достались нейтрино — по одному на каждый фотон. Пока материя оставалась достаточно плотной и горячей, нейтрино интенсивно взаимодействовали с протонами и нейтронами, заставляя их превращаться друг в друга в ходе реакций, аналогичных бета-распаду атомных ядер. В течение второй секунды Вселенная расширилась настолько, что нейтрино прекратили рассеиваться на барионах и ушли в свободный полет. С этого момента космическое пространство стало прозрачным для нейтрино, каковым и остается до сих пор.

Разъединение нейтрино и барионов оставило после себя неодинаковое число протонов и нейтронов. Поскольку масса нейтрона больше массы протона, вероятность их возникновения была меньшей. Поэтому после полного выхода нейтрино из игры протоны преобладали над нейтронами приблизительно в соотношении 6:1. Как известно, протоны стабильны, в то время как время жизни свободного нейтрона в среднем не более четверти часа. Когда возраст Вселенной достиг трех минут, 13% нейтронов распалось, и на каждый нейтрон пришлось уже по семь протонов. Количество фотонов в расчете на один протон стабилизировалось на уровне 1,6 млрд и с тех пор практически не изменилось.

В истории мироздания трехминутная отметка очень важна. Именно на этой стадии впервые появилась возможность формирования самых простых составных ядер. Это были ядра дейтерия — тяжелого изотопа водорода, состоящие из протона и нейтрона. Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре порядка 25 млрд K. Температура первичной плазмы упала до этой величины, когда Вселенной было всего ¼ секунды. Можно подумать, что дейтерий мог возникнуть уже тогда, но этот вывод будет ошибочным. Электромагнитное излучение Вселенной еще долго содержало достаточное количество горячих фотонов, которые разбивали новорожденные ядра дейтерия. Дейтерий смог выжить, лишь когда доля фотонов с энергией более 2,2 МэВ сократилась до одной миллиардной (вспомним, что общее число фотонов в полтора миллиарда раз превышало число подлежащих объединению барионов!). Это случилось, когда возраст Вселенной достиг одной минуты, а еще через две минуты процесс синтеза дейтерия вошел в полную силу. Новорожденные ядра этого изотопа стали участниками различных ядерных реакций, в результате которых появились альфа-частицы — ядра гелия. Этот процесс занял лишь несколько минут и задействовал практически все нейтроны (очень небольшая их часть пошла на непереработанные в гелиевом синтезе ядра дейтерия, трития, гелия-3, лития и бериллия). Поскольку исходное соотношение протонов и нейтронов составляло 7:1, после возникновения каждой новой альфа-частицы оставалось 12 свободных протонов. Таким образом космическое пространство заполнилось ядрами водорода (75% общей массы) и гелия (25%). В наше время эти показатели равны 74% и 24% (оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, порожденные реакциями звездного нуклеосинтеза). Возникшие тогда ядра трития быстро распались — этот сверхтяжелый изотоп водорода, в отличие от дейтерия, нестабилен. Дейтерий, гелий-3 и литий дожили до нашей эпохи, однако их суммарная концентрация составляет малые доли процента.

Синтез гелия идет с выделением энергии (иначе не зажигались бы звезды и не взрывались водородные бомбы). Всего за несколько минут во вселенской термоядерной печи сгорело в 100 раз больше водорода, чем потом во всех звездах нашей Вселенной. Однако при этом ничего особенного не произошло. Вселенная лишь немного нагрелась, после чего продолжала остывать в ходе дальнейшего расширения. Поскольку потепление охватывало весь объем космоса, то оно не породило компактных областей горячего сжатого газа в более холодной и разреженной среде, возникающих при детонации любого заряда, хоть химического, хоть ядерного. Поэтому мощнейшее выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, это же относится и к двум еще более сильным прогревам космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).

Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной. А вот потом в течение 380 000 лет она не претерпевала никаких качественных превращений — правда, за одним исключением. При расширении Вселенной плотность энергии частиц падала обратно пропорционально третьей степени масштабного фактора, а плотность энергии фотонов — четвертой степени, то есть гораздо быстрее. Это происходит из-за того, что при расширении Вселенной увеличиваются длины волн фотонов и, следовательно, уменьшаются их частоты и энергии (энергия фотона равна его частоте, умноженной на постоянную Планка). Когда Вселенной исполнилось 57 000 лет, а ее температура упала до 10 000 K, плотность лучевой энергии (к ней относят и энергию нейтрино) сравнялась с плотностью энергии частиц, а затем стала от нее отставать. Это и стало концом радиационной эры.

Каким тогда казался бы космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 000 лет, она впервые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого пронизывающие плазму фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам, — рентгеновскими). К 200 000-летней возрастной отметке цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 000 лет стал оранжевым, а по достижении 1 млн лет сделался темно-красным. В возрасте 5 млн лет температура Вселенной упала до 600 K, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону, и в космическом пространстве настала беспросветная тьма. Она стала рассеиваться лишь после появления первых звезд.

Но что же все-таки произошло через 380 000 лет после Большого взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сначала альфа-частицы присоединяли к себе по одному единственному электрону и превращались в однократно ионизированные атомы гелия. Затем они отлавливали второй электрон, и в итоге получались нейтральные атомы этого элемента. Позднее то же случилось и с протонами, которые положили начало атомам водорода. Подобные слияния оказались возможными потому, что в лучевом фоне сократилось число фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Этот процесс так называемой космологической рекомбинации растянулся на 80 000 лет и практически завершился, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 K. В общем, повторилась трансформация, имевшая место в односекундной Вселенной. Тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, теперь же — для квантов электромагнитного излучения. Стоит отметить, что некоторые авторы считают концом радиационной эры именно рекомбинацию — но это вопрос вкуса.

Рекомбинация стала важнейшей вехой в истории фотонного газа. Остывшие кванты электромагнитного излучения уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в вольное путешествие по космосу. Именно эти фотоны, чья температура с тех пор уменьшилась до 2,725 K, а длины волн увеличились пропорционально расширению Вселенной приблизительно в 1100 раз, и называют микроволновым фоновым излучением. Замечательный советский астрофизик Иосиф Шкловский предложил другое, лучшее название — реликтовое излучение. Его смысл очень нагляден — ведь эти фотоны сохранились с очень раннего этапа существования Вселенной.

И что же получилось в итоге? В космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц и, следовательно, исчезла плазма! В той или иной форме она существовала как минимум с микросекундного возраста Вселенной, а после рекомбинации на многие миллионы лет уступила место электрически нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствующему (и взаимодействующему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 млн лет, а температура фонового излучения опустилась до 80 K, темная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. А еще через 100 млн лет эти сгустки стали втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Эта дата приблизительно совпадает с верхней границей начала эры рождения звезд — в соответствии с другими моделями они начали загораться гораздо раньше, уже через 50–100 млн лет после Большого взрыва.

Массивные горячие светила первого поколения, как уже говорилось, по традиции называют звездами населения III. Именно они начали возрождать плазменное состояние материи, которое сейчас доминирует в космосе. Постепенно все большая доля космического водорода переходила в ионизированное состояние из-за поглощения ультрафиолетового излучения первых звезд, так что космическое пространство заполнялось протонами и электронами. Этот процесс дал ощутимые результаты примерно через полмиллиарда лет после начала звездообразования. Так началась эпоха реионизации, которая к концу первого миллиарда лет существования Вселенной завершилась практически полной ионизацией межгалактического водорода. Некогда исчезнувшая плазма возродилась в новом качестве и с тех пор присутствует в космосе в различных формах.

Но вернемся к реликтовому излучению. Оно почти идеально однородно и столь же идеально изотропно и неполяризовано. Это означает, что оно равномерно заполняет космическое пространство, а его интенсивность одинакова по всем направлениям. Следовательно, его поток через произвольно выделенную площадку строго равен нулю, поскольку в любом направлении оно переносит ту же энергию, что и в обратном. Его спектр (то есть распределение удельной интенсивности по частотам или длинам волн) определяется знаменитой формулой, с которой в 1900 г. началась квантовая физика. Исторически она была выведена Максом Планком для описания излучения абсолютно черного тела. Форма планковского спектра задается всего одним внешним параметром — температурой излучающей среды, которая по определению считается температурой самого излучения.

Из общих принципов физики следует, что чернотельное излучение находится в полном тепловом (термодинамическом) равновесии с излучающим его веществом (поэтому оно также называется равновесным). В этом состоянии все прямые и обратные процессы идут с одинаковой скоростью. Это обстоятельство позволяет однозначно ввести понятие температуры среды, которая и определяет ее физическое состояние. Как раз таким и было взаимодействие между плазмой и электромагнитным излучением в эпоху рекомбинации (в данном случае с равной скоростью шли процессы испускания и поглощения фотонов). Поэтому после рекомбинации фотоны вышли на свободу с планковским спектром. Поскольку с тех пор они почти перестали взаимодействовать с веществом, характер этого спектра сохранился до нашей эпохи — лишь с поправкой на то, что излучение тысячекратно остыло. Таким его сегодня и детектируют.

Формула Планка неодинаково ведет себя при разных частотах. Для малых частот (или, что то же самое, для больших длин волн) интенсивность излучения при фиксированной температуре возрастает как квадрат частоты и не зависит от постоянной Планка. Этот предельный случай формулы Планка совпадает с законом Рэлея — Джинса, который справедлив для чисто классического (то есть неквантового) излучения. В пределе больших частот (или малых длин волн) интенсивность излучения, напротив, очень быстро падает с увеличением частоты. Это уже неклассический эффект, который возникает, когда излучение рассматривается как поток квантовых частиц — фотонов. Поэтому график формулы Планка с частотами на оси абсцисс и удельной интенсивностью излучения на оси ординат выглядит как сильно асимметричный колокол. Ее максимальное значение (то есть пик графика) пропорционально температуре. В нашу эпоху интенсивность реликтового излучения максимальна на частоте 160 ГГц, что соответствует миллиметровому волновому диапазону. По мере дальнейшего расширения Вселенной она будет сдвигаться в сторону еще бóльших длин волн и, соответственно, меньших частот.

Даже в нашу эпоху сильно остывшей Вселенной реликтовое излучение однозначно доминирует в Большом космосе. Каждый кубический сантиметр пространства в среднем вмещает 400–500 реликтовых фотонов с суммарной энергией порядка четверти электронвольта, что куда больше, чем для прочих излучений. Так, суммарная плотность энергии излучения в ближней инфракрасной области, в видимом спектре и в ультрафиолете по порядку величины равна 0,01 эВ/см3. Для рентгена и гамма-излучения она измеряется стотысячными долями электронвольта на кубический сантиметр, а для радиоволн метрового диапазона — стомиллионными. Аналогично реликтовое излучение абсолютно лидирует и по плотности фотонов. Надо отметить, что эти величины отражают ситуацию лишь в межгалактическом пространстве. Естественно, что внутри галактик и вблизи звезд доминируют другие излучения. Некоторые из них, такие как солнечный свет, даже даны нам в ощущениях.

Сага о предтечах

Коль скоро фоновое излучение является, так сказать, непременным атрибутом нашей Вселенной, оно должно проявить себя и в космофизических процессах, то есть в принципе быть наблюдаемым. Отсюда следует тривиальный вывод: реликтовое излучение могло бы быть открыто иначе, нежели это произошло в действительности. История науки это подтверждает.

Все началось с работ астрономов-спектроскопистов, что и не удивительно. Реликтовое излучение может изменять населенности энергетических уровней атомов и молекул межзвездного газа и, следовательно, проявлять себя в линиях их оптических спектров. Благодаря этому в 1940 г. его едва не открыл канадский астроном Эндрю Маккеллар. Он узнал от директора калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон Уолтера Адамса, что определенная популяция рассеянного в межзвездном пространстве циана CN и его иона CN+ находится не в основном состоянии, а в двух возбужденных — и, следовательно, имеет более высокую энергию. Происхождение добавленной энергии, естественно, нуждалось в интерпретации. Маккеллар пришел к выводу: такое положение дел можно объяснить тем, что космический газ нагрет до средней температуры 2,3 K (он оценил нижнюю границу нагрева в 1,8 K, а верхнюю — в 3,4 K). Если бы Маккеллар сделал следующий шаг и хотя бы чисто гипотетически допустил, что источником нагрева служит тепловое фоновое излучение такой температуры, оно, быть может, было бы открыто гораздо раньше. Однако и Маккеллар, и Адамс воздержались от такой интерпретации — вполне в духе известного изречения Ньютона Hypotheses non fingo — «Гипотез не измышляю».

Вообще-то результаты Адамса и Маккеллара отнюдь не прошли незамеченными коллегами, но не считались особенно важными. Более того, в 1950 г. известный специалист по физической химии и будущий нобелевский лауреат Герхард Герцберг практически дезавуировал данную Маккелларом оценку температуры космического циана, отметив в своей авторитетной монографии о молекулярных спектрах, что она большого значения не имеет. Как известно, ученым нередко мешают шоры.

Реликтовое излучение за десять лет до Пензиаса и Вильсона чуть не открыли в Европе. В 1955 г. французский радиоастроном Эмиль Ле Ру и его коллеги просканировали небосвод на волне длиной 33 см, используя параболическую антенну от трофейного немецкого радиолокатора времен Второй мировой войны. Они выявили изотропное излучение чернотельного типа, температура которого, по их оценке, не превышала 3 K. Скорее всего, это и было реликтовое излучение, однако французские ученые не пошли дальше определения верхнего предела его температуры. К тому же в другой работе того же года, одним из авторов которой также был Ле Ру, этот предел определен уже в 20 K, а трехкельвиновая оценка объяснена недостаточным учетом ошибок измерений.

Осенью того же года совсем близко к открытию подошел аспирант ФИАН Тигран Шмаонов. Подобно Пензиасу с Вильсоном, он проводил наблюдения за небосводом на волне 3,2 см с помощью рупорной антенны Пулковской обсерватории. В ходе этих наблюдений он заметил фоновое изотропное излучение со средней температурой около 3,5 K. Его происхождение он обсуждал с радиоастрономом Юрием Парийским (тогда аспирантом, а впоследствии академиком и создателем радиотелескопа РАТАН-600). Шмаонов предположил, что излучение возникло внутри Млечного Пути, но Парийский заверил его, что это невозможно. К сожалению, Шмаонов смог оценить температуру излучения лишь с большой погрешностью (±3 K), что сильно затруднило интерпретацию его результатов. По завершении диссертации он получил другую тему и к прежней работе уже не возвратился. К тому же он опубликовал свою статью в малочитаемом астрономами журнале. Случись иначе, неизвестно, кто и когда отправился бы в Стокгольм за Нобелевской премией.

Предсказатели и предсказания

В определенном смысле реликтовое излучение было предсказано очень давно, в самом начале 1930-х гг. Это сделал замечательный американский физик и космолог Ричард Толмен. Он первым занялся термодинамикой нестационарной, но однородной Вселенной, соответствующей космологическим моделям Александра Фридмана и Жоржа Анри Леметра (и, как частный случай, модели плоской расширяющейся вселенной, предложенной Альбертом Эйнштейном и Виллемом де Ситтером). В статье, опубликованной в 1931 г., он показал, что при достаточно высокой плотности материи спектр пронизывающего пространство электромагнитного излучения должен иметь практически чернотельный характер, то есть с высокой точностью соответствовать формуле Планка. В этой работе он первым отметил, что по мере расширения Вселенной излучение должно остывать из-за увеличения длин волн фотонов. Наконец — и это самое важное! — Толмен математически продемонстрировал, что если на некоторой стадии расширения однородной Вселенной она заполнится излучением с чернотельным спектром, то в дальнейшем эта форма спектра сохранится независимо от наличия или отсутствия материи. Это был очень глубокий вывод, который с течением времени полностью подтвердился. Оставшееся от эпохи рекомбинации реликтовое излучение во все эпохи, включая нашу, описывается формулой Планка, причем его температура со временем уменьшается обратно пропорционально росту масштабного фактора.

Второе предсказание реликтового излучения было гораздо конкретней. В его основе лежала теория возникновения химических элементов в начале существования Вселенной, которую к 1948 г. построили профессор Университета Джорджа Вашингтона Георгий Антонович Гамов и его бывший аспирант, а к тому времени сотрудник Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса Ральф Ашер Альфер. За первичное сырье для синтеза водорода и более тяжелых элементов они приняли сильно сжатый и нагретый до миллиардов кельвинов газ из свободных нейтронов, которым, согласно их модели, было заполнено пространство юной Вселенной. Когда давление этого газа в результате расширения Вселенной упало ниже определенной величины, нейтроны начали распадаться на протоны (то есть ядра водорода) и электроны. Новорожденные протоны, по мысли Гамова и Альфера, сливались с нейтронами, порождая ядра дейтерия. Затем следовала цепочка новых ядерных реакций с захватом нейтронов, которые привели к синтезу гелия и более тяжелых элементов.

Хотя модель космического нуклеосинтеза, развитая Гамовым и Альфером, оказалась во многом неверна (сейчас известно, что элементы тяжелее бериллия не могли образоваться в ранней Вселенной и появились лишь в недрах звезд), она сыграла огромную роль в развитии космологии и астрофизики. Ключевая идея Гамова и Альфера о горячем начале Вселенной в дальнейшем полностью подтвердилась. Стоит отметить, что ставшее ходовым в современной лексике — и превратившееся в мем — выражение «Большой взрыв» (Big Bang) появилось именно как реакция (причем негативная) на эту модель. Его в 1949 г. впервые использовал в сильно уничижительном смысле радикальный противник этой теории, знаменитый британский астрофизик Фред Хойл в радиолекции на канале Би-би-си. С тех пор возражения Хойла рассеялись, как дым, а теория Большого взрыва (конечно, в позднейшей интерпретации) легла в основу современного понимания эволюции Вселенной.

В этом же 1948 г. уже без участия Гамова была выполнена работа, от которой без всяких оговорок можно отсчитывать историю теоретических исследований реликтового излучения. Она принадлежала Альферу и его старшему коллеге по Лаборатории прикладной физики Роберту Герману, который занимался спектроскопией и физикой конденсированных сред. Эта замечательная статья содержит явное предсказание существования реликтового излучения.

Еще в докторской диссертации Альфера было отмечено, что частицы юной Вселенной погружены в море высокоэнергетичных фотонов, чья суммарная энергия очень сильно превосходит энергию частиц. В новой работе соавторы использовали стандартное уравнение, описывающее эволюцию масштабного фактора Вселенной, которое применили для сравнения плотности частиц ρmat и плотности энергии фотонов ρrad в разные эпохи. Как уже говорилось, при расширении Вселенной ρmat падает в обратной пропорции к кубу масштабного фактора, в то время как ρrad уменьшается обратно пропорционально его четвертой степени. Решение этого уравнения (что любопытно, на аналоговом компьютере, по тем временам это было делом весьма новым) показало, что обе плотности сравнялись, когда возраст Вселенной достиг 3,5 × 1014 секунд, или примерно 10 млн лет (57 000 лет по современным данным!). Соответственно, в этот момент температура фотонов, имевших, как предсказал Толмен, чисто планковский спектр, составляла 600 K (нынешняя оценка — приблизительно 10 000 K), а к современной эпохе упала до 5 K. Таким образом, Альфер и Герман пришли к выводу, что космическое пространство заполнено изотропным микроволновым излучением.

Правда, здесь надо кое-что уточнить. Приведенная в статье Альфера и Германа величина температуры реликтового излучения следует из принятой ими оценки средней плотности вещества во Вселенной, которая в свете современных данных была сильно занижена. Пересчет температуры с использованием уточненных космологических данных дает для температуры реликтового излучения величину того же порядка, но с другим численным значением. Однако в плане истории космологии и астрофизики суть не в тех или иных конкретных числах, которые в любом случае не были и не могли быть точными. Альфер и Герман показали, что горячая модель рождения Вселенной позволяет найти связи между физическими условиями в юной Вселенной и наблюдаемыми в наши дни параметрами космоса (такими как температура реликтовых фотонов и относительные концентрации элементов — если не всех, то самых легких). Детали этих связей с тех пор не раз уточнялись, однако сама демонстрация их существования стала непреходящим вкладом в науку о Вселенной.

Молодые ассистенты Гамова с самого начала понимали, что их выводы необходимо проверить. Как вспоминал инициатор первых экспериментов по детектированию гравитационных волн Джон Вебер, в конце 1948 г. или в начале 1949 г. они посетили вашингтонскую Исследовательскую лабораторию ВМФ (Naval Research Laboratory), где работала команда радиоастрономов, возглавляемая Джоном Хагеном. Если верить Веберу, они спросили Хагена, можно ли существующими средствами обнаружить предсказанное ими излучение, но тот ответил, что такая задача слишком сложна. Судя по всему, Альфер с Германом поверили его заключению и к другим радиоастрономам уже не обращались. Прояви они больше настойчивости, реликтовое излучение вполне могло быть открыто раньше, чем это случилось в реальности, и необязательно тем же способом. При таком раскладе Альфер и Герман почти наверняка оказались бы нобелевскими лауреатами.

В первой половине 1950-х гг. предсказания космического фонового излучения повторялись еще несколько раз, но потом как-то исчезли из научной литературы. В середине 1950-х гг. Георгий Гамов увлекся расшифровкой генетического кода и практически забыл об астрофизике. Тогда же Альфер и Герман перешли на работу в промышленные корпорации и тоже оставили фундаментальную науку. В космологии в это время вошла в моду концепция стационарной Вселенной, выдвинутая в конце 1940-х гг. Фредом Хойлом и его коллегами по Кембриджскому университету Германом Бонди и Томасом Голдом. В их модели, речь о которой впереди, Вселенная считалась вечной, что исключало гипотезу Большого взрыва. И наконец, во второй половине 1950-х гг. были разработаны основы современной теории звездного нуклеосинтеза, блестяще объяснившей рождение элементов тяжелее гелия в звездных ядрах. В итоге исследования Гамова и его сотрудников были сочтены анахронизмом и почти забыты.

Однако в 1964 г. ситуация изменилась. К этому времени в Принстонском университете несколько лет работала группа по изучению гравитации, созданная Робертом Дикке. В противоположность большинству физиков того времени, он очень удачно совмещал таланты экспериментатора и теоретика. В 1941–1946 гг. он работал в Лаборатории излучений (Radiation Laboratory) Массачусетского технологического института, где занимался радиолокаторами и сконструировал оригинальный прибор для измерения плотности микроволнового излучения (радиометр Дикке). В 1946 г. Дикке и трое его коллег подсоединили радиометр к небольшой антенне, выполненной в виде рупора с прямоугольным сечением (такая антенна при вертикальной ориентации раструба хорошо отсекает от приемника электромагнитные волны, приходящие с земной поверхности). Участники эксперимента провели пробные измерения космического лучевого фона на частоте порядка 30 ГГц (что соответствует длине волны в 1 см). После анализа результатов они пришли к выводу, что интенсивность «излучений от космической материи», как они их назвали, очень мала, а их температура не превышает 20 K. В ретроспективе можно допустить, что команде Дикке тогда удалось отловить следы реликтового излучения. Более того, вполне вероятно, что, если бы Дикке повысил чувствительность своего радиометра и использовал антенну большего сечения и лучший волновод, ему уже через какую-то пару лет удалось бы достаточно надежно детектировать микроволновой фон Большого космоса. Однако в том же 1946 г. Дикке перешел в Принстонский университет, где через 11 лет стал профессором физики, а позднее и деканом физфака. В Принстоне его исследовательские интересы сдвинулись в область изучения тяготения, и эксперименты с радиометром надолго остались без продолжения.

В 1961 г. Дикке вместе со своим студентом Карлом Брансом разработал оригинальную теорию гравитации, которая довольно долго считалась небезынтересной альтернативой эйнштейновской ОТО. На ее основе он пришел к концепции Вселенной, которая не имеет ни начала, ни конца, но постоянно осциллирует между сменяющими друг друга фазами расширения и сжатия. При этом, согласно Дикке, каждый цикл начинается со сверхплотного состояния материи, нагретой не менее чем до десятков миллиардов кельвинов. Так что по Дикке, как и по Гамову, начало Вселенной было очень горячим, только не однократным, а повторяющимся. При этом Дикке, по его собственному признанию, в то время ничего не знал о работах гамовской группы.

Обдумывая свою модель, Дикке вполне закономерно пришел к идее фонового излучения чернотельного типа, которое возникло в эпоху максимального нагрева Вселенной и сохранилось до наших дней в сильно охлажденном виде. В 1963 г. Дикке на базе весьма приближенных подсчетов оценил его температуру в 40 K. Годом позже к сотрудничеству были привлечены радиофизики Дэвид Вилкинсон и Питер Ролл, которые спроектировали и построили радиометр для измерения температуры излучения. Вместе с ними Дикке выполнил серию измерений фоновой яркости неба в этом диапазоне. Летом 1964 г. он поручил своему бывшему студенту Джеймсу Пиблзу проверить, как полученные результаты согласуются с различными космологическими моделями. Пиблз в то время тоже слыхом не слыхал о гамовской теории и к тому же не особенно верил в саму идею осциллирующей Вселенной. Однако он с энтузиазмом взялся за поставленную Дикке задачу и через несколько месяцев получил оценку для современного значения температуры фонового излучения в 10 K.

В конце 1964 г. и в феврале 1965 г. Пиблз доложил свои результаты на двух коллоквиумах, а также изложил в статье, которую отправил в Physical Review. Она попала к рецензенту, знакомому с работами команды Гамова, который отклонил рукопись из-за недостатка оригинальности. В марте Дикке и Пиблз, еще не получив ответа из Physical Review, включили свои результаты в большой обзор, который в этом же году появился в печати. Там фигурировала и полученная Пиблзом оценка температуры фонового излучения. Однако перед отправкой обзора в печать соавторы узнали о результатах Пензиаса и Вильсона, о чем и сообщили в сноске, добавленной в верстку. Так что в этой части их работа к моменту выхода в свет умудрилась устареть.

Существование реликтового излучения было предсказано и в СССР. В начале 1964 г. ученики академика Зельдовича Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков на основе горячей модели показали, что космическое пространство должно быть заполнено планковскими фотонами с температурой от одного до десяти кельвинов. Они особо отметили, что это предсказание должно стать ключевым тестом для модели Большого взрыва. И даже сослались на эксперименты с рупорной антенной, выполненные в начале 1960-х гг. специалистами корпорации Bell (о них ниже), как на средство проведения таких измерений. Конкретно — они отметили, что «дополнительные измерения в этой области… помогут окончательно решить вопрос о справедливости теории Гамова». Это предвидение оказалось совершенно правильным, поскольку Пензиас и Вильсон работали на радиотелескопе с такой же антенной. К сожалению, замечательная статья Дорошкевича и Новикова, которая вскоре появилась в английском переводе, тогда не привлекла того внимания специалистов, которого бесспорно заслуживала.

Момент истины

Нередко говорят, что открытие реликтового излучения было делом случая. Если это и верно, то лишь отчасти. Правда состоит в том, что Пензиас и Вильсон вели наблюдения на лучшем в мире приборе, с помощью которого можно было обнаружить микроволновой фон Вселенной. В 1964 г. они пустили его в ход для выполнения собственной программы радиоастрономических исследований. Хотя они не имели ни малейшего представления о публикациях гамовской группы и, естественно, не искали предсказанное Альфером и Германом излучение, его детектирование было только делом времени. Подтверждением этого служит тот факт, что после публикации результатов Пензиаса и Вильсона другие ученые без проблем регистрировали реликтовое излучение с помощью менее чувствительной аппаратуры.

С чего же все началось? В конце 1950-х гг. NASA запланировало первый в мире эксперимент по отработке технологии космической связи на сантиметровых и дециметровых волнах. В рамках этого проекта, названного «Эхо» (Echo), в следующем десятилетии на околоземные орбиты высотой чуть больше 1500 км запустили два раздувающихся 30-метровых баллона из металлизированной полиэфирной пленки, хорошо отражающей радиосигналы. Хотя впоследствии специалисты NASA сделали выбор в пользу спутников с активными ретрансляторами, проект «Эхо» дал ценную информацию о верхних слоях земной атмосферы и распространении радиоволн.

В эксперименте «Эхо» приняли участие сотрудники Белловской лаборатории радиоисследований (Bell Radio Research Laboratory), расположенной неподалеку от городка Холмдел в штате Нью-Джерси. Специально для этой цели Артур Кроуфорд, Эдвард Ом и их коллеги заранее спроектировали и построили установку, приспособленную под прием сигналов, отраженных от спутника «Эхо-1» (Echo 1), выведенного на орбиту 12 августа 1960 г. Она была оснащена алюминиевой рупорной антенной с апертурой 60 × 60 см, которая работала как волновод, направляющий пришедшие из космоса сигналы на параболический рефлектор. Сфокусированные микроволны частотой 2,39 ГГц (длина 12,6 см) попадали в радиометр, оснащенный усилителем, использующим рубиновый мазер бегущей волны, охлаждаемый жидким гелием. Этот прибор почти не загрязнял систему собственным тепловым шумом и потому мог использоваться для усиления весьма слабых внешних сигналов. Иначе говоря, радиометр, работающий в блоке с таким усилителем, обладал очень высокой чувствительностью. После многомесячных измерений в июле 1961 г. возглавляемые Омом сотрудники лаборатории опубликовали полученные результаты. Эта была именно та статья, на которую три года спустя сослались Дорошкевич и Новиков.

Чтобы понять ее место на пути к открытию реликтового излучения, необходимо кое-что уточнить. Космические источники радиоволн производят хаотический тепловой шум, который почти неотличим от шума обычного резистора, нагретого электрическим током. По этой причине калибровку приемного устройства радиотелескопа часто проводят в тепловых единицах. Хотя мощность шума, который приходит на радиометр от антенны, можно фиксировать в децибелах, на практике ее удобнее выразить через температуру условного резистора, который посылал бы на радиометр шум такой же мощности. Именно в такой форме представили свои результаты Эдвард Ом и его коллеги.

Перед получением и обработкой сигналов от спутника радиоинженеры из группы Ома провели тщательную калибровку своей установки на той же рабочей частоте 2,39 ГГц. Для этого они измерили суммарный уровень шума от антенны, атмосферы и наземных источников, который составил 18,9 ± 3,0 K. Когда же антенна была направлена в зенит, она регистрировала микроволновое излучение, эквивалентное излучению черного тела с температурой 22,2 ± 2,2 K. Если бы измерения были совершенно точными, можно было бы утверждать, что из космоса на этой частоте приходит избыточное излучение с температурой 22,2–18,9 = 3,3 K. Однако учет ошибок измерений приводил к заключению, что величина этой температуры равна 3,3 ± 3,7 K. Получалось, что погрешность в определении температуры гипотетического космического излучения превышала ее измеренное значение! Поэтому Ом и его коллеги заявили, что, если даже космический микроволновой фон и существует, их установка не позволяет его надежно детектировать.

Вполне возможно, что они упустили великое открытие. Позднейший анализ их данных показал, что реальные погрешности измерений, скорее всего, были меньше заявленных. Если бы Ом и его коллеги не высказались столь категорично, другие специалисты (уже не инженеры, а астрономы) могли бы прийти к выводу, что из космоса приходит микроволновое излучение чернотельного типа. Дорошкевич и Новиков глядели буквально в корень, когда отметили, что наблюдения на радиотелескопах с приемниками микроволнового излучения, а также с помощью аппаратуры на искусственных спутниках «помогут окончательно решить вопрос о справедливости теории Гамова». В конечном счете именно так и произошло, причем всего через год после публикации их статьи.

После завершения работ по спутнику «Эхо-1» радиотелескоп в Холмделе был модифицирован. 10 июля 1962 г. NASA запустило 77-килограммовый спутник «Телстар-1» (Telstar 1), на котором впервые в мире была установлена приемо-передающая аппаратура для активной ретрансляции телевизионных изображений и телефонных переговоров. Этот эксперимент оказался очень успешным, именно с него началось межконтинентальное телевидение («Телстар-1» позволял осуществлять телефонную связь по 60 каналам или ретранслировать одну телепрограмму). Хотя для работы с новым спутником в Северной Америке и в Европе были построены специальные установки с антеннами большого диаметра, холмделская 60-сантиметровая установка тоже была задействована в предварительных экспериментах. Для этого ее приемник, настроенный на длину волны 12,6 см, заменили на 7,35-сантиметровый, поскольку на этой волне (частота 4,080 ГГц) работал «Телстар-1». Новый радиометр, как и прежний, был оснащен мазерным криогенным усилителем.

Вскоре после запуска «Телстара-1» холмделский радиотелескоп оказался не у дел — впрочем, ненадолго. В 1961 г. директор Лаборатории радиоисследований Руди Компфнер принял на работу аспиранта Колумбийского университета радиоастронома Арно Пензиаса, которому тогда оставался год до защиты докторской диссертации. По условиям контракта Пензиас мог половину рабочего времени тратить на исследования по своей специальности, а половину — на выполнение программ Лаборатории. Сначала он действительно помогал коллегам-радиоинженерам, а позднее смог заняться собственными проектами. Фактически с этого времени Пензиасу (к слову, уроженцу Мюнхена, в шестилетнем возрасте вместе с братом вывезенному в Англию по программе эвакуации еврейских детей, а потом вместе с родителями приехавшему в Нью-Йорк) была предоставлена свобода в выборе темы исследований.

В начале 1963 г. Компфнер нанял еще одного радиоастронома, 27-летнего техасца Роберта Вудро Вильсона, получившего докторскую степень в Калтехе. В это время на 60-см рефлекторе уже не вели работ по спутниковой связи, так что Пензиас и Вильсон смогли воспользоваться им для радиоастрономических наблюдений. Сначала они адаптировали установку для этих нужд, что потребовало немалых усилий. Им предстояло сконструировать и изготовить новый радиометр с малошумящим мазерным усилителем на 7,35 см и провести детальные измерения чувствительности антенны, поскольку без этого было невозможно настроить и откалибровать аппаратуру телескопа. Пензиас и Вильсон хотели измерить интенсивность нескольких известных радиоисточников, а затем приступить к сканированию радиоизлучения нашей Галактики. Для этого они решили определить яркость излучений, приходящих на частоте 4,080 ГГц не с богатого звездами диска Млечного Пути, а из обширных пустот галактического гало, охватывающего весь небосвод. Теория утверждала, что их генерируют релятивистские электроны, движущиеся по искривленным траекториям в магнитных полях на периферии Галактики (такое излучение называется синхротронным). Ожидаемая интенсивность лучевого фона галактического гало была крайне мала, порядка 0,1° при измерении в тепловых единицах. Однако для прецизионной калибровки аппаратуры необходимо было ее точно определить.

Не стоит перечислять все переделки радиотелескопа, осуществленные Пензиасом и Вильсоном. Однако упомяну самую интересную: телескоп снабдили эталонным источником теплового шума, который охлаждался жидким гелием, так называемой холодной нагрузкой. Экспериментаторы регулярно отсоединяли радиометр от антенны и подключали к этому источнику, что уменьшало ошибки измерений. Модернизация телескопа во всех деталях описана в нобелевской лекции Вильсона, которая доступна в русском переводе.

В мае 1964 г. эти работы закончились, и Пензиас с Вильсоном вплотную приступили к наблюдениям, которые продолжались до поздней осени. К концу года они окончательно убедились, что калибровка телескопа по излучению галактического гало дала не просто неожиданный, а прямо-таки парадоксальный результат. На частоте 4,080 ГГц эффективная температура антенны оказалась на 3,5 K выше, чем предполагалось. Полная измеренная температура в зените составила 6,7 K, из которых 2,3 K экспериментаторы объяснили шумом от атмосферных источников. Уровень антенного шума, связанный с омическим сопротивлением системы, они оценили в 0,8 ± 0,4 K. Загадочный избыток в 3,5 K был измерен с возможной погрешностью всего в 1 K и, следовательно, вполне реален. Природу этого феномена они, конечно, не знали.

Нужно было решить, что же делать с этим парадоксом. Как много лет спустя вспоминал Пензиас, они опасались публиковать свои выводы в отдельной статье — просто из элементарной осторожности. «В те годы немалая часть радиоастрономической литературы была набита всяческими неточностями, и мы хотели избежать риска, что нашу первую совместную публикацию назовут стопроцентно ошибочной. Поэтому решили просто включить раздел об измерении избыточной температуры в одну из статей, над которыми тогда работали. Однако тут-то и вмешалась судьба».

Судьба явила свою волю на сессии Американского астрономического общества, которая в декабре собралась в Монреале. Пензиас встретил там руководителя радиоастрономической секции вашингтонского Института Карнеги Бернарда Бёрка, с которым поделился только что полученными результатами. В конце февраля Бёрк телефонным звонком оповестил Пензиаса, что какой-то «парень из Принстона» придумал теорию, предсказывающую чернотельное фоновое излучение с температурой 10 K. Этим «парнем», конечно, был Пиблз. Через несколько дней Бёрк прислал Пензиасу копию препринта статьи Пиблза, чем сильно поднял его настроение. Как вспоминал Пензиас, он «был счастлив обнаружить теоретическое объяснение нашего странного феномена, хотя вовсе не был уверен, что описанная в статье модель обязательно верна».

Пензиас прекрасно понимал, что промедление подобно смерти — точнее, потере приоритета. Он телефонным звонком пригласил Дикке с сотрудниками приехать в Холмдел, чтобы на месте ознакомиться с радиотелескопом и протоколами наблюдений. Через несколько дней Дикке, Ролл и Вилкинсон воспользовались этим приглашением, а чуть позже Пензиас и Вильсон сделали ответный визит и осмотрели радиометр принстонской группы. В итоге обе команды уверились в реальности открытия. Пензиас предложил коллегам написать о нем совместную статью, однако Дикке решительно выступил за раздельные сообщения. Так они и были опубликованы и в этом виде вошли в историю науки. Работа Пензиаса и Вильсона в 1978 г. принесла им Нобелевскую премию по физике; спустя 41 год эту награду получил и Джеймс Пиблз. К сожалению, шведские академики не удостоили Роберта Дикке этой высшей научной почести, которую он бесспорно заслуживал.

Статья радиоастрономов из Холмдела объемом в 600 слов уместилась меньше чем на полутора журнальных страницах. Из всех работ, когда-либо удостоенных Нобелевской премии, она по краткости стоит на втором месте после заметки Уотсона и Крика о структуре молекулы ДНК. В ней нет ни слова ни о модели Большого взрыва, ни о космологии. Представлены лишь обработанные авторами результаты «измерений эффективной температуры зенитного шума 20-футовой рупорной антенны», на которой они работали, причем без дополнительных комментариев. Авторы даже не утверждали, что выявленное ими остаточное излучение с температурой 3,5 K носит чернотельный характер. Они ограничились указанием, что оно изотропно, неполяризовано и не демонстрирует сезонных изменений. Однако этот результат сам по себе содержал намек на чернотельность, поскольку лишь в этом предположении температура электромагнитного излучения имеет однозначный физический смысл. Полный спектр реликтового излучения был промерен много позже с помощью спутников; пик его интенсивности приходится на волны длиной чуть больше 1 мм, не проникающие сквозь земную атмосферу. Первооткрыватели зарегистрировали только его длинноволновой хвост, что не помешало им правильно понять характер спектра.

Статья принстонских физиков тоже невелика. Она начинается с краткого экскурса в космологию, причем особо отмечено, что гипотеза горячего рождения Вселенной приводит к предсказанию фонового чернотельного излучения. В отличие от неопубликованной статьи Пиблза, в ней нет точного предсказания его нынешней температуры, но подчеркнуто, что она, вероятно, не превышает 40 K. Двое из четырех соавторов (Ролл и Вилкинсон) сообщили, что построили радиометр с рупорной антенной для измерения интенсивности микроволнового излучения с длиной волны 3 см, и кратко обсудили его будущее применение. В этом месте авторы сослались на результаты Пензиаса и Вильсона, а также подчеркнули, что для определения характера спектра необходимо продолжать начатые теми измерения на других длинах волн. В заключение авторы кратко сравнили открытую и закрытую модели Вселенной, но сейчас это представляет лишь исторический интерес.

Этот раздел уместно завершить цитатой из заметки американского научного журналиста Кларенса Перси Гилмора, опубликованной в ноябрьском выпуске журнала Popular Science за 1965 г. «У Дикке… была теория, но он ничем не мог ее подкрепить. У Пензиаса имелся шум, но не было никакой теории. Они объединили результаты, и все прекрасно сошлось». Пожалуй, лучше и не скажешь.

Первые последствия

Любое крупное (а тем более великое) научное достижение по своей сути стимулирует критическую переоценку существующего научного знания и его последующее развитие. Это в полной мере относится и к открытию реликтового излучения.

Во второй половине 1960-х гг. оно прежде всего повлияло на состояние космологии. Теорию Большого взрыва в настоящее время считают столь же несомненной, как и систему Коперника. Однако до открытия реликтового излучения она отнюдь не пользовалась общим признанием, и не только потому, что некоторые ученые полностью отрицали идею расширения Вселенной. У модели Большого взрыва имелась серьезная конкурентка, которая это расширение полностью принимала, но объясняла совсем по-другому. В законченном виде она появилась на свет в том же 1948 г., что и предсказание реликтового излучения. Сейчас эта теория практически забыта, а когда-то была весьма популярной.

Место ее рождения — университетский Кембридж. После разгрома Гитлера там поселились замечательные ученые — Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Во время войны они работали в радиолокационной лаборатории британских ВМФ и там подружились. Хойлу к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и тридцати, а его приятелям стукнуло по двадцать пять. Хойл был чистокровнейшим англичанином из Йоркшира, двое остальных — уроженцами Вены, но по образованию, как и Хойл, кембриджцами высокой пробы. Хойл со временем приобрел всемирную известность как отец-основатель теории звездного нуклеосинтеза и классик астрофизики, а также как писатель-фантаст и популяризатор науки. Бонди после войны остался в Англии, стал крупнейшим специалистом по ОТО, работал главным научным консультантом Минобороны и Минэнергетики, получил (как и Хойл) дворянство, был гендиректором Европейской организации космических исследований (ныне Европейское космическое агентство), президентом нескольких научных обществ, ректором одного из Кембриджских колледжей. Голд в конце 1950-х гг. перебрался в США, в Корнеллский университет, где и проработал до смерти в 2004 г. Он осуществил важнейшие исследования космического магнетизма (термин «магнитосфера» — его изобретение), совместно с Хойлом предложил модель пульсара как вращающейся замагниченной нейтронной звезды и даже выдвинул элегантную, но, скорее всего, неправильную теорию тектонического происхождения угля и нефти. В общем, троица в полном составе вошла в элиту мировой науки.

Хойл и его друзья еще в свою радарную эру по вечерам отводили душу в беседах о фундаментальных проблемах мироздания. На этих домашних семинарах они много времени посвящали космологии. Все трое дружно невзлюбили восходящую к Леметру гипотезу взрывного рождения Вселенной, но закон Хаббла приняли всерьез и потому отвергли концепцию статичного мироздания. После войны они продолжали собираться у Бонди и обсуждали эти же проблемы. Озарение снизошло на них после просмотра кинострашилки «Глубокой ночью», где главный герой Уолтер Крейг (в исполнении знаменитого Мервина Джонса) попал в замкнутую событийную петлю, возвратившую его в ситуацию, с которой все началось. Фильм с такой фабулой в принципе может продолжаться бесконечно, как стишки о попе и собаке. Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться структурным аналогом этого сюжета — изменяющейся, но неизменной.

Поначалу друзья сочли эту идею безумной, но потом решили, что в ней что-то есть. Объединенными усилиями они превратили голдовскую гипотезу в связную теорию. Бонди с Голдом дали ее общее изложение, а Хойл в отдельной публикации представил математические расчеты. За основу он взял уравнения ОТО, но дополнил их гипотетическим «полем творения», С-полем, обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде тридцать с лишним лет спустя появилось в инфляционных космологических теориях, что доставило Хойлу немалое удовольствие.

Эта модель вошла в историю науки как Космология стабильного состояния. Ее основное положение заключается в том, что Вселенная расширяется, но начала не имеет, поскольку всегда подобна себе самой. Новая теория провозгласила не только полное равноправие всех точек пространства (это уже было у Эйнштейна), но и всех моментов времени. Голд назвал это положение совершенным космологическим принципом. Геометрия пространства в этой модели остается строго плоской, как у Ньютона. Галактики разбегаются, однако в космосе «из ничего» (точнее, из творящего поля — для этого оно и понадобилось!) появляется новое вещество, причем с такой интенсивностью, что средняя плотность материи остается неизменной. В соответствии с тогдашним значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства в течение 300 000 лет возникает лишь одна частица. Это сразу снимало вопрос, почему приборы не регистрируют подобные процессы — они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология не испытывала ни малейших трудностей, связанных с возрастом Вселенной, — эта проблема для нее просто не существовала.

Для подтверждения cвоей модели Хойл предложил воспользоваться данными о пространственном распределении юных галактик. Если С-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя плотность таких галактик должна быть примерно одинакова. Хойловский критерий в принципе был совершенно разумным, однако из-за отсутствия телескопов необходимой мощности произвести такое тестирование не представлялось возможным. Правда, в 1955 г. английский радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл обнаружил, что на космической периферии плотность слабых радиоисточников больше, чем вблизи нашей Галактики. Он открытым текстом заявил, что полученные результаты несовместимы с космологией стабильного состояния. Однако через несколько лет другие ученые пришли к выводу, что Райл преувеличил различия плотностей, и вопрос остался открытым.

А вот открытие фонового микроволнового излучения нанесло Космологии стабильного состояния удар, от которого она так и не смогла оправиться. В модели Хойла, Бонди и Голда этому феномену попросту не было места. К началу 1970-х гг. она уже прочно угнездилась на складе красивых, но не имеющих отношения к реальности космологических моделей.

Интересно, что у создателей этой теории был предшественник в лице самого Эйнштейна, который в 1931 г. задумался над сходной идеей. Он записал предварительные выводы на бумаге, однако воздержался от их развития и тем более публикации. Рукопись долго оставалась незамеченной в иерусалимском архиве эйнштейновских документов, и сообщение о ней появилось в печати лишь спустя 83 года.

Открытие Пензиаса и Вильсона отозвалось и в Москве. В 1961–1962 гг. космологией занялся Яков Борисович Зельдович, который привлек к ней нескольких блестящих физиков, в том числе и А. Д. Сахарова. Сначала Зельдович склонялся к концепции холодного возникновения Вселенной, но после 1965 г. решительно стал на сторону гамовской теории. Фундаментальные результаты школы Зельдовича хорошо известны.

Через три года после открытия реликтового излучения теоретики наконец-то поняли, как оно перестает взаимодействовать с веществом и заполняет космическое пространство. Речь, естественно, идет о космической рекомбинации. В основополагающей работе Альфера и Германа о ней ровно ничего не сказано. Этот механизм впервые описали Джеймс Пиблз и ученые из группы Зельдовича. С тех пор его детали неоднократно уточнялись (например, с учетом роли гелия), но общая картина не изменилась.

Новая перспектива: шлифовка и разработка

Открытие реликтового излучения инициировало великое множество радиоастрономических исследований, которые со временем привели к определению точной формы его спектра со всеми нюансами. Именно эти нюансы, вернее отклонения спектра фонового излучения от формулы Планка, оказались богатейшим источником информации о структуре и эволюции Вселенной. История этих проектов очень богата и выходит за рамки настоящей главы, но несколько интересных фактов хорошо ее проиллюстрируют.

Сначала основная задача заинтересованных исследователей состояла в доказательстве соответствия спектра фонового излучения формуле Планка — если и не абсолютного, то достаточно точного. Для этого его следовало промерять на разных частотах. Первыми это сделали Ролл и Вилкинсон, которые к концу 1965 г. завершили серию измерений на волне длиной 3,2 см. В 1966 г. две группы гарвардских астрономов и независимо от них Иосиф Самуилович Шкловский показали, что анализ спектров межзвездных облаков циана (напомню, впервые выполненный Маккелларом) свидетельствует о наличии фонового излучения с температурой порядка 3 K. Очень важно, что эта оценка была сделана не для сантиметрового диапазона, а для волн длиной 2,6 мм, где спектр излучения не соответствует пределу Рэлея — Джинса. Вскоре Пензиас и Вильсон установили на свой 60-сантиметровый аппарат новый радиометр, настроенный на прием волн длиной 21 см, и вновь подтвердили чернотельность спектра в длинноволновом пределе. В 1966–1967 гг. радиоастрономы также проводили измерения в сантиметровом и дециметровом диапазонах, которые ясно указывали на наличие чернотельного излучения с температурой порядка 3 K. Однако окончательно планковский характер микроволнового космического фона был доказан лишь к концу девятого десятилетия прошлого века. К этому времени различные наблюдения, как наземные, так и с помощью аппаратуры на высотных аэростатах и геофизических ракетах, довели измерения спектра реликтового излучения до частот порядка 700 ГГц, то есть до длин волн в окрестности половины миллиметра. В этой области, так называемом пределе Вина, по мере роста частоты интенсивность излучения уменьшается по экспоненте, то есть ведет себя совсем иначе, нежели в классическом пределе Рэлея — Джинса. В эти же годы были проведены новые измерения спектров межзвездного циана на частотах в одну-две сотни гигагерц. Все эти данные не только подтвердили чернотельный характер излучения, но и показали, что его температура с высокой степенью вероятности составляет 2,7–2,8 K.

Но это лишь одна сторона медали. Практически с момента открытия реликтового излучения стало понятно, что оно не может быть полностью изотропным, как того требует планковская формула. Иными словами, температура фоновых фотонов не может быть строго постоянной, с какой бы точки небосвода они ни пришли. Она непременно должна хоть немного, но изменяться в зависимости от направления, на формальном языке — флуктуировать. Причем эти флуктуации могут возникнуть по весьма разным причинам. Одна из них имеет чисто кинематическое объяснение. Как известно, Солнце каждые 225–250 млн лет совершает полный оборот вокруг центра Млечного Пути по практически круговой орбите радиусом около 26 000 световых лет со средней скоростью 230 км/с. Отсюда следует, что наша планета вместе со своей звездой движется относительно реликтового излучения, которое в данном случае служит неподвижной системой отсчета. Млечный Путь, в свою очередь, приближается к соседней крупной галактике, Андромеде, со скоростью порядка 100 км/с, и под действием гравитации обе они падают на галактическое скопление Девы со скоростью в несколько сотен километров в секунду. Измеренная интенсивность (а следовательно, и температура) реликтового излучения должна быть максимальной при ориентации антенны в направлении каждого из этих движений и, соответственно, минимальной — при обратной ориентации (так называемая дипольная анизотропия реликтового фона, или, неформально, эффект эфирного дрейфа). Количественно эти температурные колебания чрезвычайно малы, порядка трех милликельвинов. Впервые их обнаружили в 1967 г., хотя и с большой погрешностью. С тех пор такие измерения неоднократно повторялись и уточнялись.

Это наиболее простой и очевидный механизм возникновения анизотропии реликтового излучения, и его информационный потенциал сравнительно невелик. На его основе можно оценить лишь скорости различных движений в космическом пространстве. Однако из горячей модели Вселенной следует существование иных причин анизотропии реликтового излучения, причем куда более серьезных. Их нельзя объяснить с помощью кинематики, для этого нужна физика. Именно эти причины делают спектральный анализ микроволнового фона богатейшим источником информации о ранней Вселенной.

Материи это довольно сложные, в двух словах о них не рассказать. Тонкую структуру анизотропий фонового излучения удалось детально выявить в первую очередь за счет выноса измерительной аппаратуры на космические платформы. Первой такой платформой стал американский искусственный спутник Земли Cosmic Background Explorer (COBE), выведенный на орбиту 18 ноября 1989 г. Он проработал в космосе немногим больше четырех лет (точнее, 4 года, 1 месяц и 5 суток) и полностью преобразил наши знания о спектральных характеристиках реликтового излучения. Несмотря на то что угловое разрешение его аппаратуры было весьма скромным, всего 7°, она впервые измерила температурные флуктуации реликтового излучения. К немалому удивлению, они оказались очень малы — всего лишь порядка стотысячной доли кельвина. Неслучайно в 2006 г. двое научных руководителей этого проекта — Джон Мазер и Джордж Смут — были удостоены Нобелевской премии по физике. Мазер руководил созданием спектрофотометра FIRAS, установленного на COBE, а Джордж Смут был лидером команды, которая работала на другом приборе, радиометре DMR.

После публикации данных с COBE стало ясно, что угловые флуктуации температуры реликтового излучения не просто существуют, но и очень многое говорят о состоянии дел в ранней Вселенной. Они сильно укрепили фундамент теории Большого взрыва и позволили создавать намного более точные модели эволюции Вселенной. Под их влиянием в последующие годы активизировались измерения этих флуктуаций с помощью наземной и аэростатной аппаратуры. Кроме того, уже в нашем столетии были запущены два космических аппарата с более чувствительными приборами, выполняющими эти же функции. Американский космический зонд Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), названный в честь Дэвида Вилкинсона, в 2001 г. ушел в космос ко второй точке Лагранжа, где и проработал до 2010 г. Более совершенная космическая обсерватория имени Планка, созданная Европейским космическим агентством, действовала в той же второй точке Лагранжа с июля 2009 г. до октября 2013 г. Пока эти станции исчерпывают список космических аппаратов, специально (хотя и не исключительно) заточенных под сбор информации об анизотропии реликтового излучения.

Однако не стоит забывать, что первое успешное выявление анизотропии реликтового излучения с помощью аппаратуры космического базирования было совершено в России. Это был эксперимент «Реликт», осуществленный в середине 1980-х гг. сотрудниками Института космических исследований АН СССР. На одном из спутников серии «Прогноз» был установлен высокочувствительный радиометр, который в течение полугода измерял энергию фонового микроволнового излучения. Правда, он действовал лишь на одной частоте, в то время как микроволновой радиометр COBE оперировал на трех (31,5, 53 и 90 гигагерц) и потому давал больше информации. Анализ результатов с «Прогноза» затянулся на несколько лет, но в конце концов он позволил обнаружить вариации температуры реликтового излучения. Об этом было доложено на семинаре в ГАИШ в январе 1992 г., за три месяца до того, как Джордж Смут впервые представил аналогичные результаты со спутника COBE на заседании Американского физического общества. Мне довелось беседовать с Джоном Мазером после получения им Нобелевской премии, и он с готовностью признал достижения российских коллег.

Температурные флуктуации реликтового излучения

Фоновое микроволновое излучение состоит из фотонов, которые освободились из плена горячей космической плазмы, когда длина их волн была приблизительно в 1100 раз меньше (а частота и энергия, соответственно, в 1100 раз больше) нынешних значений. Отношение разности измеренной в нашу эпоху длины волны фотона и ее величины в момент испускания к этой величине называется космологическим красным смещением (то есть красное смещение равно отношению современной и первоначальной длин волн минус единица). Эта величина задает изменение масштабов Вселенной, которые во время рекомбинации в 1100 раз были меньше нынешних. Абсолютное большинство этих фотонов с тех пор путешествуют по космическому пространству без всякого контакта с веществом. Тем не менее некоторые из них все же вступали в различные взаимодействия, которые могли либо подкачать их дополнительной энергией, либо привести к энергетическим потерям.

И что же из этого следует? Температурные флуктуации реликтового излучения прежде всего отражают физические условия во Вселенной в эпоху рекомбинации (а фактически и до нее). Эти условия проявляют себя в тех видах его анизотропии, которые называют первичными. Последующее путешествие фотонов сквозь космос вызывает дополнительные отклонения от идеальной изотропии, и их, естественно, именуют вторичными. Это разграничение двух основных типов анизотропий совершенно необходимо для понимания их причин и механизмов возникновения.

Как уже было отмечено, ученые приступили к поиску угловых температурных флуктуаций реликтового излучения практически сразу после его открытия. Долгое время он практически не дал ничего за исключением демонстрации эфирного дрейфа. Это было непонятно и даже тревожно. Тогда считали, что вещество Вселенной почти целиком состоит из барионов (протонов и ионизированных ядер гелия) и электронов, причем последние по малости своей массы практически не должны влиять на космические гравитационные поля. Теория утверждала, что в эпоху красного смещения, равного 1100, барионы были распределены в пространстве с достаточно большими флуктуациями плотности — на уровне 0,1% (при меньших флуктуациях к нашему времени скопления и сверхскопления галактик просто не смогли бы возникнуть). До наступления рекомбинации фотоны и ионы сильно взаимодействовали друг с другом, хотя и не прямо, а посредством электронного газа (фотоны рассеивались на свободных электронах, которые воздействовали на движение ионов благодаря кулоновскому электростатическому притяжению). Поэтому плотность и температура фотонов должны были флуктуировать пропорционально плотности барионов. Коль скоро относительная величина колебаний температуры фотонного газа после рекомбинации не изменилась, она и сегодня должна оставаться на уровне десятой доли процента — то есть составлять милликельвины.

Такие флуктуации искали годами, но не могли обнаружить. Интересно, что в середине 1980-х гг. это обстоятельство значительно укрепило позиции тогда еще далеко не общепринятой гипотезы темной материи. Темная материя по определению никак не взаимодействует с электромагнитным излучением, но подчиняется силам гравитации. Поэтому ее частицы под действием тяготения стягиваются в исполинские комки и втягивают в них барионное вещество. Вычисления показывают, что если доля темной материи в общей массе Вселенной заметно превосходит долю барионного вещества, то величина температурных флуктуаций реликтового излучения на малых угловых масштабах сильно уступает первоначальным теоретическим оценкам. Это означает, что флуктуации барионной плотности в эпоху рекомбинации вполне могли быть на порядки больше, чем фотонные флуктуации. Именно это и подтвердил COBE, обнаруживший, что флуктуации температуры реликтового излучения составляют не десятые, а тысячные доли процента (иными словами, измеряются не милликельвинами, а десятками микрокельвинов).

Однако вернемся к играм между фотонами и барионами (конкретно — протонами и ядрами гелия), имевшим место перед началом рекомбинации. И те и другие весьма интенсивно взаимодействовали друг с другом через посредство электронного газа. Поэтому в эту эпоху космическое пространство было заполнено особой субстанцией, имевшей значительное сходство с обычными жидкостями. Поскольку плотность фотонов сильно превышала плотность барионов, эта жидкость была сжата большим световым давлением. Когда барионы втягивались в гравитационные ловушки, созданные притяжением скоплений темной материи, давление фотонов препятствовало их пленению и несколько сглаживало (но конечно, не ликвидировало) флуктуации барионной плотности. Так что плотность барионов все равно локально колебалась, и эти колебания распространялись по пространству. Иначе говоря, возникали бегущие волны плотности, вполне аналогичные обычному звуку в толще воды либо в воздухе. Как говорят астрофизики, в барионно-фотонной жидкости возбуждались барионные акустические осцилляции. При этом в местах максимального сжатия ее температура возрастала, а в зонах разрежения — падала (опять-таки как и при распространении звука в воздухе). В итоге флуктуации плотности барионно-фотонной жидкости порождали флуктуации ее температуры.

Вселенная после Большого взрыва постоянно расширялась, как и в нашу эпоху. Коль скоро ее размеры оставались конечными, звуковые волны в барионно-фотонной жидкости на любой возрастной отметке Вселенной тоже могли преодолеть лишь конечное максимальное расстояние. В первом приближении оно равно скорости звука, помноженной на этот возраст. Можно показать, что скорость звуковых волн в барионно-фотонной жидкости приблизительно в 1,7 раза меньше скорости света в вакууме (конкретно — она равна скорости света, поделенной на квадратный корень из трех). Максимальная дистанция, которую могут пройти звуковые волны к наступлению определенного возраста Вселенной, называется звуковым горизонтом.

И что дальше? Флуктуации плотности барионно-фотонной жидкости имеют разные пространственные масштабы, которые, однако, не могут превысить величину звукового горизонта. Как только флуктуация достигает горизонта, ее амплитуда больше неспособна расти — и флуктуация затухает. Отсюда следует, что длины звуковых волн в барионно-фотонной жидкости не могут быть произвольно большими, они ограничены сверху. Если знать конкретные темпы расширения Вселенной, то этот верхний предел легко вычислить. Уже одно это демонстрирует, что спектр звуковых колебаний барионно-фотонной жидкости в эпоху рекомбинации содержит информацию о тогдашней скорости расширения Вселенной.

Легко понять, что произойдет по завершении этой эпохи. Практически все электроны объединятся с ядрами водорода и гелия. Вместо ионов появятся нейтральные атомы, а электронный газ попросту исчезнет. Вместе с ним исчезнет и барионно-фотонная жидкость, поскольку больше не останется посредников, способных передавать взаимодействия между фотонами и барионами. Поэтому скорость звука в барионной среде упадет до нуля. Существовавшие флуктуации плотности сами по себе не разгладятся, но перестанут распространяться — как говорят астрофизики, звуковые волны окажутся вморожены в барионное вещество. Начиная с этого времени ничто не будет препятствовать барионам (теперь уже в форме нейтральных атомов) копиться в гравитационных ловушках, созданных скоплениями темной материи. По прошествии времени пространственное распределение атомов окажется примерно таким же, как и распределение темной материи.

Информационный потенциал реликтового излучения

Данные о температурной анизотропии реликтового излучения содержат гигантский объем информации. Объяснить это несложно. Как показывает теоретический анализ, угловые флуктуации температуры реликтового излучения определяются численными параметрами, заложенными в космологические модели. Это постоянная Хаббла, которая определяет скорость расширения Вселенной в нашу эпоху, мера кривизны пространства, относительные доли барионного вещества, темной материи и темной энергии в энергетическом балансе Вселенной и еще несколько параметров, которые имеют технический характер и не столь наглядны. Точные промеры температурных флуктуаций реликтового излучения, приходящего с разных точек небесной сферы, в принципе позволяют вычислить эти параметры и тем самым выбрать наиболее правдоподобную модель Вселенной.

Подробное рассмотрение различных видов первичной и вторичной температурной анизотропии реликтового излучения выходит за рамки популярного изложения (не говоря уже о том, что без серьезной математики такая попытка превратится в чистую профанацию). Однако стоит привести несколько примеров, естественно, с неизбежными упрощениями. Сначала речь пойдет о первичной анизотропии, а затем и о вторичной.

На этом этапе необходимо ввести важное уточнение. Основные причины первичной анизотропии можно — и нужно! — разделить на две группы. Во-первых, это механизмы, которые действуют на масштабах, превышающих величину звукового горизонта в эпоху рекомбинации. Из-за этого на них практически не влияют локальные физические процессы, которые могли иметь место со времени Большого взрыва до эпохи рекомбинации. Во-вторых, это взаимодействия намного меньших масштабов, значительно уступающих величине горизонта.

Cамый эффективный из надгоризонтных механизмов — эффект Сакса — Вольфа, который состоит в воздействии гравитации на энергию (то есть температуру) квантов электромагнитного излучения. Фотоны, рожденные в зоне, где плотность вещества особенно высока и, следовательно, величина поля тяготения больше, вырываются из этой гравитационной ловушки, теряют энергию и сдвигаются в сторону красной области спектра (это и есть гравитационное красное смещение). Точно так же фотоны, которые родились в областях с меньшим гравитационным потенциалом, будут иметь сравнительно бóльшую энергию, так что их спектр сдвинется не в красную, а в голубую сторону. Этот механизм анизотропии отчасти компенсируется тем, что, согласно ОТО, тяготение тормозит течение времени. Поэтому фотоны, вышедшие из областей с максимальной плотностью вещества, будут рассеиваться на электронах несколько раньше фотонов, пришедших из участков с меньшей плотностью. Поскольку температура Вселенной по мере ее расширения падает, эти фотоны встретятся с электронами на более горячей стадии мироздания. Реально оба фактора действуют совместно и в сумме создают эффект Сакса — Вольфа.

Кроме эффекта Сакса — Вольфа стоит упомянуть еще два надгоризонтных механизма. Хотя расширение Вселенной в целом однородно, в ней рождаются (и умирают) потоки вещества. Когда фотоны рассеиваются на электронах, движущихся в этих потоках, их частоты изменяются в соответствии с эффектом Доплера. Если до Земли дошли фотоны, некогда рассеянные струей горячей плазмы, которая двигалась в направлении области пространства, где ныне находится наша планета, их температура окажется чуть выше средней температуры реликтового излучения, а при движении в противоположном направлении — чуть ниже. Таким образом возникает либо голубое, либо красное смещение, но не гравитационное, а чисто кинематическое.

Чтобы понять третий надгоризонтный эффект, вернемся к окончанию предыдущего раздела. В нем показано, что на масштабах, превышающих величину звукового горизонта в эпоху рекомбинации, пространственное распределение барионного вещества почти совпадает с распределением темной материи. Поэтому в зонах с большей плотностью темной материи скапливается больше обычного вещества, которое сильнее нагревается. Из таких областей приходит больше фотонов, причем к тому же более горячих, нежели общий фон. Это и есть еще один механизм температурной анизотропии.

Один из факторов первичной анизотропии, действующих на субгоризонтных масштабах, был подробно описан выше — это звуковые волны в барионно-фотонной жидкости. Однако есть и другой — эффект Силка. Физически он очень прост. Взаимодействие между барионами и фотонами, которое вызывает такие волны, слабеет на малых расстояниях. Это происходит потому, что фотоны имеют конечную длину пробега и по ее прохождении рассеиваются в окружающее пространство по всем направлениям. Такая фотонная диффузия приводит к размыванию температурных флуктуаций. Благодаря эффекту Силка фотоны реликтового излучения, которые пришли на Землю из близких точек небосвода (конкретно — с дистанций, меньших пяти угловых секунд), демонстрируют очень малые первичные флуктуации. Так что в мелкозернистом приближении первичные флуктуации почти не нарушают изотропность излучения.

Вторичные анизотропии реликтового излучения также обязаны разным причинам. Главная из них — ионизация космической среды вскоре после начала звездной эры. Поскольку первые звезды в основном были чрезвычайно массивными и горячими, они заливали космос мощными потоками ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Эти высокоэнергетичные кванты выбивали из нейтральных атомов электроны, на которых происходило рассеяние реликтовых фотонов. Очень важно, что направление, по которому уходил рассеянный фотон, практически не зависело от его первоначального пути. Таким образом, информация о первичных температурных флуктуациях, которую несли реликтовые фотоны, после рассеяния практически полностью стиралась, а температура этих фотонов выравнивалась со средней температурой реликтового излучения. Однако часть реликтовых фотонов все же избегла такой судьбы и донесла до нас сведения о первичных температурных флуктуациях. В итоге мы все же можем их наблюдать, хотя и с уменьшенными амплитудами.

Рассеяние, о котором только что шла речь, изменяет направление фотонов, но практически сохраняет их энергию (такое рассеяние называется томсоновским). Однако это не единственная возможность. Особо «горячие» электроны, чьи энергии выше средней энергии фотонов, могут поделиться с последними своей энергией (такой эффект называется обратным комптоновским рассеянием). Плотность подобных электронов в скоплениях галактик может быть весьма высока — порядка 1000 на кубический метр. Поэтому спектр реликтовых фотонов, которые по пути к Земле прошли сквозь такие скопления галактик, оказывается смещенным в сторону более высоких энергий. Этот эффект в начале 1970-х гг. предсказали Яков Борисович Зельдович и Рашид Алиевич Сюняев, и теперь он носит их имя.

Еще одна причина вторичной анизотропии — возникновение во Вселенной крупномасштабных структур, галактик и галактических скоплений. Поскольку они (вместе с окружающей их темной материей) создают локальные поля тяготения, реликтовые фотоны вблизи них набирают энергию на входе и теряют ее на выходе. Если бы эти поля были полностью статичными, потерянная энергия равнялась бы приобретенной, и фотоны продолжали бы миграцию по космосу в первозданном виде. Однако реально эти поля изменяются со временем, и это должно отразиться на энергии фотонов. Можно показать, что в расширяющейся Вселенной с нулевой кривизной пространства, описываемой космологической моделью Эйнштейна — де Ситтера, фотоны сохраняют первоначальную энергию. В других космологических моделях их энергия изменяется — это так называемый интегрированный эффект Сакса — Вольфа. Наличие или отсутствие этого эффекта позволяет судить о геометрии пространства-времени нашей Вселенной.

Понятно, что температурные флуктуации реликтового излучения обусловлены сложной гаммой причин и в целом отражают физическую историю Вселенной на разных этапах ее существования. Эта история представлена в конкретных космологических моделях, которые отличаются друг от друга численными значениями нескольких параметров. В минимальной версии Стандартной модели их шесть, в расширенных — более десятка (кстати, самым ранним космологическим моделям хватало всего трех параметров). Математический анализ данных, собранных во время наблюдения и измерения этих флуктуаций, позволяет определить эти параметры и на этой основе выбрать наилучшую теоретическую конструкцию, описывающую эволюцию Вселенной.

О том, как это делается, невозможно рассказать на пальцах, хотя вот несколько наглядных примеров. Для теоретического анализа первичных анизотропий реликтового излучения очень важно знать, под каким углом возможно наблюдать область пространства, соответствующую размеру Вселенной в эпоху рекомбинации. Чтобы вычислить его величину, необходимо определиться с космологической моделью. Для плоской Вселенной, которую описывает модель Эйнштейна — де Ситтера, этот угол равен 1,8°, для прочих моделей он имеет другое значение. Барионно-акустические осцилляции имеют максимальную амплитуду на длине волны, по порядку величины равной звуковому горизонту в эпоху рекомбинации. Так как скорость распространения этих колебаний в 1,7 раза меньше скорости света, максимум флуктуаций реликтового излучения в плоской Вселенной Эйнштейна — де Ситтера должен прийтись на угловой размер в 1°. Именно это и показывают наблюдения! Отсюда следует, что мы живем во Вселенной с плоской (или почти плоской) евклидовой геометрией пространства, кривизна которого равна или почти равна нулю. Возможно, это самый важный результат, извлеченный на сегодняшний день из богатейшего информационного резервуара реликтового излучения.

Данные о кривизне космического пространства можно получить и из наблюдений крупномасштабных (на угловых размерах в десятки градусов) осцилляций температур реликтового излучения, где работает интегрированный эффект Сакса — Вольфа. Чем больше кривизна пространства (и, следовательно, чем заметней его неевклидовость), тем сильнее должны изменяться со временем локальные гравитационные потенциалы. А такие изменения как раз и влекут за собой появление вторичной температурной анизотропии, обусловленной этим эффектом. Данные по крупномасштабным осцилляциям подтверждают, что нам выпало обитать в практически плоской Вселенной. Об этом же свидетельствует и угловое распределение акустических температурных пиков, также зависящее от кривизны пространства.

Температурные флуктуации фонового излучения демонстрируют и другие пики с более скромными амплитудами, которые наблюдаются на меньших угловых размерах. Причины их неодинаковы, и они тоже зависят от различных космологических параметров. Например, чем больше во Вселенной барионного вещества, тем выше амплитуда первого пика (и других пиков с нечетными номерами) и тем ниже она для второго, четвертого и прочих четных пиков. На совсем малых масштабах (менее пяти угловых секунд) первичные анизотропии сглаживаются благодаря эффекту Силка.

Великий конкорданс и его пределы

В нашем столетии львиную долю информации о спектрах реликтового излучения ученые получили с помощью космических обсерваторий WMAP и Planck. Обе станции несли на борту уникальную аппаратуру, которую смело можно назвать техническим чудом космического приборостроения. Кроме того, реликтовое излучение наблюдали с помощью специализированных наземных телескопов нового поколения и приборов, поднятых в стратосферу высотными аэростатами. Каждый из этих экспериментов заслуживает отдельной статьи, а некоторые — даже книги. В совокупности они неизмеримо расширили и уточнили полученные в прошлом веке сведения о реликтовом излучении. В обозримом будущем подобные наблюдения будут продолжаться.

Их главные результаты общеизвестны. Абсолютное большинство специалистов согласно, что космическое пространство на макромасштабах обладает нулевой или почти нулевой кривизной и потому очень точно описывается геометрией Евклида. Общая плотность энергии Вселенной приблизительно на 4,5% обеспечена обычным (барионным) веществом, на 25% — холодной (то есть движущейся с небольшими скоростями) темной материей и примерно на 70% — темной энергией (чью плотность по традиции обозначают заглавной греческой буквой Λ). Очень малую дополнительную долю этой плотности составляют кванты реликтового излучения и звездного света, потоки нейтрино и гравитационные волны. Барионное вещество в основном сосредоточено не в звездах и планетах, а в плазменном наполнении внутригалактического и межгалактического пространства. Эти утверждения составляют основное содержание стандартной космологической модели.

Вселенная с момента своего возникновения расширяется, причем неодинаковыми темпами. Нынешняя скорость ее расширения определяется современным значением параметра Хаббла H0, который, согласно последним данным с обсерватории Planck, равен 67,4 км/с на мегапарсек (с погрешностью менее чем 1%). Благодаря доминирующей роли темной энергии скорость расширения Вселенной возрастает и будет возрастать в обозримом будущем. Нынешний возраст Вселенной округленно равен 13,8 млрд лет.

Эту стройную картину нарушают расхождения в определении численной величины H0, возникшие после публикации результатов серии телескопических наблюдений переменных звезд из семейства цефеид и сверхновых типа Ia. Согласно недавним результатам группы под руководством Адама Рисса, H0 = (74,02 ± 1,42) км/с на мегапарсек. Причина столь заметной нестыковки служит предметом ожесточенных дискуссий, однако большинство астрофизиков считает оценку на основе анализа спектров реликтового излучения более надежной.

А дальше — посмотрим. В настоящее время различные научные коллаборации разрабатывают и испытывают новые методы оценки H0, не связанные ни с анализом спектров микроволнового фонового излучения, ни с апелляцией к данным звездной астрономии. Эти методы еще недостаточно точны, однако имеют немалые перспективы. Вполне возможно, что уже в следующем десятилетии с их помощью астрономы и астрофизики наконец-то договорятся о точном значении параметра Хаббла.