История о том, как мы перешли от размышлений о Большом взрыве к его наблюдению, представляет собой классический пример счастливого открытия в космологии. В 1965 году физик по имени Джим Пиблс из Принстонского университета произвел расчеты расширения космического пространства и сделал поразительный вывод о том, что излучение Большого взрыва должно пронизывать Вселенную и сегодня. Более того, оно должно быть обнаруживаемо. Он рассчитал ожидаемую частоту и интенсивность этого излучения и совместно с коллегами Робертом Дике и Дэвидом Уилкинсоном приступил к созданию прибора для его детектирования. Между тем, неподалеку от них в лаборатории Белла (Bell Labs) астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон готовились провести астрономические наблюдения с помощью детектора микроволнового излучения, который ранее использовался в коммерческих целях. (Микроволны представляют собой вид электромагнитного излучения, имеющего более высокую частоту, чем радиоволны, но более низкую, чем инфракрасное излучение или видимый свет). Во время калибровки инструмента для своих исследований Пензиас и Вильсон, совершенно не думавшие о коммерции и увлеченные изучением неба, обнаружили странный шум. Очевидно, раньше он не мешал использовать телескоп для приема радиосигналов, отраженных от стратостатов, поэтому пользователи его игнорировали. Однако в этот раз речь шла о науке, так что проблему нужно было устранить. Тем не менее, в каком бы направлении ученые ни поворачивали детектор, шум, причинявший множество неудобств, никуда не исчезал.

Помехи представляют собой весьма распространенную проблему на этапе калибровки, и для их возникновения существуют разнообразные причины, например незакрепленный кабель, находящийся поблизости радиопередатчик и множество других вибраций механического происхождения. (Недавний прорыв в радиоастрономии был связан с выяснением того факта, что излучение, детектируемое радиотелескопом в обсерватории Паркса, на самом деле представляло собой помехи от микроволновой печи, работавшей в столовой). Пензиас и Вильсон исследовали детектор вдоль и поперек и даже учли вероятность того, что источником шума могла оказаться небольшая стая голубей, гнездящихся в антенне. Однако, что бы они ни делали, им так и не удалось ни избавиться от этих помех, ни отыскать их источник. Поэтому им пришлось рассмотреть вероятность того, что сигнал идет из космоса, причем сразу со всех сторон. Но что это могло быть? Все, что исходит от планет или Солнца, должно детектироваться только в определенные моменты времени и в определенных направлениях, и даже излучение нашей галактики Млечный Путь не может быть совершенно однородным.

И тут в дело вступает команда из Принстона.

Расчеты Пиблса показали, что если на раннем этапе своего развития Вселенная была горячей повсюду, то в настоящее время мы должны везде обнаруживать следы этого излучения. Он рассуждал следующим образом. Поскольку, заглядывая дальше в космос, мы смотрим в более глубокое прошлое, а в далеком прошлом Вселенная представляла собой один большой огненный шар, то если заглянуть достаточно далеко, можно увидеть часть Вселенной, которая до сих пор охвачена огнем. Иными словами, если 13,8 миллиарда лет назад вся предположительно бесконечная Вселенная была пронизана радиацией, то должны существовать удаленные области, излучение от которых достигает нас только сейчас. В каком бы направлении мы ни смотрели, если мы заглянем достаточно далеко, то увидим эту далекую огненную Вселенную. При этом мы смотрим не на области пространства, которые отличаются от всех остальных, а скорее в то время, когда все пространство было в огне.

Таким образом, это фоновое излучение должно исходить отовсюду, вне зависимости от вашего местоположения, поскольку вы всегда можете заглянуть достаточно далеко, чтобы увидеть горячую фазу космоса. Это возможно благодаря неразрывной связи между скоростью света и «путешествиями во времени». Каждая точка пространства является центром собственной сферы постоянно углубляющегося прошлого, ограниченной огненной оболочкой.

Пиблс это понял и, как принято у физиков, поделился невероятными догадками с коллегами. Он даже распространил препринт работы, в которой описал план по обнаружению данного излучения. Окольными путями слухи об этом достигли лаборатории Белла, находящейся в 60 километрах от них.

Кен Тернер, присутствовавший на лекции Пиблса, посетил обсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико и во время обратного перелета побеседовал с другим астрономом, Бернардом Берком, о том, как было бы здорово обнаружить излучение, оставшееся после Большого взрыва. Вернувшись в офис, Берк позвонил Пензиасу по поводу какой-то другой работы и случайно упомянул о беседе в самолете.

Могу предположить, что в этот момент Пензиасу пришлось присесть, поскольку он вдруг осознал, что они с Вильсоном оказались первыми людьми, фактически увидевшими Большой взрыв. Он взял двухдневную паузу, поговорил со своим коллегой, а затем позвонил Роберту Дике, который тут же повернулся к Пиблсу и Уилкинсону и сказал: «Нас обскакали».

И действительно, Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию в 1978 году за первое наблюдение того, что получило название космического микроволнового фонового излучения (или реликтового излучения).

Космическое микроволновое фоновое излучение, или КМФИ, стало одним из самых важных инструментов для изучения истории Вселенной. Трудно переоценить его значение как в качестве набора астрономических данных, так и в качестве технологического достижения. Благодаря ему мы теперь можем собирать и анализировать данные о свечении горячего раннего космоса и составлять карты на их основе. Первым делом открытие КМФИ полностью подтвердило гипотезу о том, что ранняя Вселенная представляла собой один огромный пылающий адским жаром шар.

Но как мы можем быть уверены, что фоновое излучение, которое мы обнаруживаем, на самом деле исходит от изначального огненного шара, а не, скажем, от какого-то странного далекого скопления звезд или чего-то другого? Судя по всему, неопровержимым доказательством является световой спектр, отражающий зависимость степени яркости излучения от его частоты.

Представьте, что вы помещаете кочергу в разожженный камин и ждете, пока она начнет светиться красным. Это красное свечение не принадлежит к свойствам самого металла, а представляет собой явление, происходящее с телом, которое нагревается, но не загорается. Такое свечение называется тепловым излучением, и его цвет зависит только от температуры. Если тело светится синим, оно горячее тела, которое светится красным. На самом деле, если бы вы видели в инфракрасном спектре, вы могли бы наблюдать тепловое излучение, исходящее от людей, горячей еды и нагретых солнцем тротуаров. Тело человека излучает в низкочастотной части инфракрасного диапазона, поскольку оно намного холоднее открытого пламени (если, конечно, дела у этого человека не совсем плохи).

Однако испускаемое телом излучение не ограничивается видимым светом. Все излучающие свет тела, кроме лазеров, испускают волны различных частот (или цветов), при этом цвет, воспринимаемый глазом, соответствует наиболее интенсивному свету. (Вот почему лампы накаливания горячие на ощупь: несмотря на то что большая часть испускаемого ими света относится к видимому спектру, они также излучают в инфракрасном диапазоне, что заставляет их нагреваться). Для всех видов теплового излучения, в том числе для того, которое испускается раскаленной кочергой, человеческим телом и голубым пламенем конфорки газовой плиты, сохраняется одна и та же взаимосвязь между интенсивностью света и частотой. В зависимости от температуры тела наиболее яркий свет будет соответствовать пиковой длине волны, а по обе стороны от пика свет будет быстро тускнеть. Построив график зависимости интенсивности излучения от длины волны, мы получим кривую, описывающую характер излучения абсолютно черного тела, воспроизводимую всеми телами, которые светятся в результате нагревания. Оказалось, что при измерении интенсивности космического микроволнового фонового излучения на разных частотах получается самая точная кривая излучения черного тела из когда-либо полученных в природе. Единственным объяснением является то, что сама Вселенная когда-то была очень горячей.

Согласно легенде, когда этот результат был впервые представлен в виде графика на одной из конференций, аудитория буквально взорвалась аплодисментами. Отчасти такой энтузиазм был обусловлен тем, что измерение оказалось чрезвычайно впечатляющим и точным, а также идеально вписывающимся в теорию (что всегда бывает очень приятно). Однако я совершенно уверена, что другой причиной было осознание людьми того, что они фактически наблюдают Большой взрыв. Лично меня это поражает до сих пор.

Реликтовое излучение не только представляет собой удивительное явление, но и дает нам возможность узнать о первых мгновениях жизни Вселенной и ее эволюции. Кроме того, оно предоставляет нам некоторые подсказки о том, к чему все идет, как мы увидим в следующих главах.

Однако если вы составите карту реликтового излучения, на которой цветом будет обозначена разница температур в различных областях неба, она может показаться вам довольно скучной из-за практически полного отсутствия цветовых вариаций. Тем не менее, обнаруживаемые мельчайшие отклонения могут многое нам рассказать. Если увеличить контрастность, карта КМФИ превратится в пятнистое полотно, напоминающее абстрактную картину, нарисованную в стиле пуантилизма огромной кистью размером с полную Луну, если смотреть на нее с Земли. Пятна одного цвета скапливаются в определенных местах, а в других смешиваются с пятнами другого цвета. При этом некоторые пятна оказываются чуть более красными, а некоторые – чуть более синими. Цветовые вариации показывают те места, где бурлящая первичная космическая плазма была чуть холоднее или горячее из-за незначительной разницы в плотности, – плотность в каждой точке отклоняется от среднего значения не более чем на одну стотысячную. (Чтобы представить, сколько это, вылейте в бассейн банку с газировкой).

С помощью тщательных расчетов мы можем определить, как эти крошечные вариации плотности за несколько тысячелетий превращаются в целые скопления галактик. Гравитационный коллапс – очень мощная вещь. Сгусток вещества, плотность которого превышает плотность находящейся поблизости материи, будет притягивать эту материю, все больше и больше увеличивая контраст с менее плотной областью. Богатые становятся богаче, а бедные – беднее.

С помощью компьютерного моделирования, которое позволяет за несколько секунд показать процессы, занимающие миллиарды лет, мы можем наблюдать, как чуть более плотный сгусток материи притягивает достаточное количество окружающего его менее плотного газа, формируя первую звезду во Вселенной. Эти звезды образуются в первых галактиках, которые собираются в скопления, превращая пятнистую карту КМФИ в наблюдаемую сегодня космическую паутину из узлов, нитей и пустот, усыпанную галактиками, сверкающими, словно капли росы. Если вы сравните результаты одной из этих компьютерных симуляций с реальной трехмерной картой космоса, каждая точка которой представляет собой одну галактику, вам будет очень сложно их различить.

Итак, Большой взрыв имел место. Мы его наблюдали, мы его рассчитали, теория подтвердилась. Теперь устраивайтесь поудобнее возле сияющего космического черного тела и послушайте историю происхождения космоса.