Глава 3. Да будет свет!

Одного взгляда на ночное небо в ясную, безоблачную погоду достаточно, чтобы убедиться: Вселенная наполнена светом. Ночью мы можем любоваться теми звездами, которые ближе всего расположены к Солнцу, но за ними скрываются сотни миллиардов других, невидимых невооруженному глазу, и все это наши соседки по Млечному Пути. А сколько их в других галактиках? Триллионы и триллионы — это очень трудно себе вообразить, однако современное развитие наших космологических знаний основано не только на наблюдениях в видимом диапазоне спектра. То, что скрыто от наших телескопов, тоже снабжает нас интереснейшей информацией.

Видимый свет занимает небольшую центральную часть всего ­спектра электромагнитного излучения, который простирается от гамма-лучей с самой короткой длиной волны на одном конце до радиоволн с самой большой длиной волны на другом. Каждый тип электромагнитного излучения состоит из фотонов, частиц без массы, которые движутся в пространстве с одинаковой скоростью, «скоростью света», преодолевая за секунду около 186 000 миль, или 300 000 километров. Фотоны различаются длиной волны, частотой вибрации и энергией, которую несет каждый из них. Однако знаменитая формула Эйнштейна описывает количество энергии, содержащейся в массе частицы, а именно ее у фотонов не имеется. Они несут энергию движения, и это позволяет им воздействовать на материю: например, фотоны видимого света могут вызывать химические изменения в сетчатке человеческого глаза. Гамма-­лучи, обладающие наибольшей удельной энергией, представляют опасность для тканей человека; радиоволны, даже самые короткие, могут проходить сквозь стены (и нас), практически не оказывая никакого влияния.

В принципе все фотоны можно называть «светом», если помнить, что полный спектр «света» включает множество разновидностей. Эта терминология служит прекрасным напоминанием о фундаментальном сходстве всех типов фотонов и лежит в основе поэтического описания космоса, гласящего, что Вселенная родилась в яркой вспышке света, заполнившей все пространство, после чего она продолжила испускать свет и будет это делать всегда. С тех пор продолжающееся расширение Вселенной привело к ­постепенному увеличению длины волн фотонов и уменьшению их энергии. А 14 миллиардов лет спустя сияние света стало ­настолько скромным, что его удалось заметить только после 1964 года.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой пенящийся океан частиц с чрезвычайно высокой энергией, чьи столк­новения порождали другие типы частиц и античастиц, которые тут же уничтожали друг друга. Но по мере расширения Вселенной и создания новых пространств энергия частиц уменьшалась, и уже через полчаса рождения эпоха созидания и разрушения вселенских масштабов подошла к концу. К этому времени в космосе сформировалась базовая смесь, состоящая из «обычной» материи, то есть знакомой нам материи, которую можно противопоставить загадочной «темной материи», обсуждаемой в главе 4. Обычная материя существовала лишь в нескольких основных разновидностях: протоны, электроны, ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), поток фотонов и поток частиц-«призраков», называемых нейтрино.

За следующие 3800 столетий, пока расширение Вселенной продолжало уменьшать энергию беспокойных частиц, мало что изменилось. Она оставалась непрозрачной для фотонов, которые могли преодолевать лишь крошечные расстояния, прежде чем встречали свободно движущиеся электроны и отскакивали в другом направлении. Даже если бы у вас была возможность увидеть всю Вселенную, вы и тогда бы не смогли этого сделать, поскольку фотоны, направляющиеся к сетчатке вашего глаза, за наносекунды или пикосекунды до того, как достигнуть ее, отражались бы от электронов прямо перед вашим лицом и создавали светящийся туман во всех направлениях. Электроны оставались свободными, потому что удары гигантского количества фотонов мешали их естественному стремлению создавать атомы, выходя на орбиты вокруг протонов или ядер гелия. Все вновь созданные атомы немедленно разрушались, когда в них попадали энергичные фотоны и выбивали из них электроны. Эти постоянные взаимодействия между фотонами и материей сгладили Вселенную, так что каждый кубический сантиметр стал иметь почти одинаковую плотность материи, одинаковое количество фотонов и одинаковую температуру на протяжении всего ее пространства.

Космологи характеризуют море фотонов, подобных тем, что наполняют Вселенную, исходя из понятия описательной темпера­туры. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля (скажем прямо, что ни один объект не имеет такой температуры) будет излучать фотоны различной энергии, но в основном с энергией, зависящей от его температуры. Ваше тело, например, имеющее температуру около 310 градусов выше абсолютного нуля, излучает преимущественно инфракрасные фотоны. Ученые определяют эту температуру как 310 К, где К обозначает абсолютную температуру по шкале Кельвина, которая начинается с 0 в точке абсолютного нуля и делится на те же температурные интервалы между градусами, что и шкала Цельсия. Гораздо более горячие объекты — например, звезды — излучают большую часть своих фотонов с энергиями, характерными для видимого света. Тем­пература частиц, обладающих массой, изменяется прямо пропорцио­нально средней кинетической энергии частицы, и наоборот. Пик энергии излучения, производимого частицами, определяется температурой этих частиц. Когда астрофизики говорят, например, что излучение Солнца имеет характерную температуру 6000 К, они подразумевают, что газ, испускающий это излучение, имеет такую же температуру.

Создание нового пространства гораздо легче описать, чем представить. Тем не менее этот процесс продолжается до сих пор, а значит, энергия всех частиц по-прежнему уменьшается. В конце концов, в настоящее время не осталось ни одного фотона, который обладал бы таким количеством энергии, чтобы с ее помощью ­освободить электроны из атома. Однако фотоны, хоть и лишенные энергии, могут свободно путешествовать по космосу со скоростью света. Начало «эпохи разделения», наступившей через 380 000 лет после Большого взрыва, считается одной из ключевых вех в космической истории, потому что знаменует переход от непрозрачной Вселенной к прозрачной. С тех пор фотоны, наполнявшие (и продолжающие наполнять) космос, беспрепятственно путешествуют по пространству, изменяясь только за счет постоянного уменьшения их энергии, вызванного расширением Вселенной. Появившись как гамма-излучение, фотоны постепенно превратились в ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные фотоны, при этом они никогда не переставали быть фотонами, несмотря на то, что длина их волн увеличивается, а энергия, наоборот, уменьшается.

Астрофизики придумали термин «реликтовое излучение», чтобы описать вселенское множество фотонов, вырвавшихся на свободу после того, как атомы получили возможность формироваться и сохраняться по всей Вселенной. Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после рождения Вселенной, фотоны реликтового излучения ­сместились вниз в рамках спектра, превратившись в микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение. Вот почему астрофизики называют его космическим микроволновым фоном, хотя термин «реликтовое излучение» все же пользуется большей популярностью. Пройдет еще сотня миллиардов лет, Вселенная станет еще огромней и прохладнее, и астрофизики будущего назовут наше реликтовое излучение космическим радиоволновым фоном.

Наблюдая реликтовое излучение, мы изучаем фотоны, путешествовавшие почти 14 миллиардов лет. А учитывая тот факт, что любые фотоны, возникшие до момента разделения, тоже путешествовали далеко от нас со скоростью света в течение того же периода времени, можно сделать вывод: раз реликтовое излучение поступает к нам почти в одинаковом количестве со всех сторон, значит, Вселенная была однородной почти повсюду.

Но почему нас должно волновать это излучение? Что интересного может сообщить нам космическое море фотонов? Ответ имеет огромную информационную ценность: эти фотоны несут отпечаток давно минувшего прошлого, самого давнего, которое только можно наблюдать (за исключением еще более отдаленного прошлого, которое человечество сможет наблюдать в XXII веке), и раскрывают важнейшие факты о молодой Вселенной, когда ее возраст был меньше одной сорокатысячной нынешнего возраста.

Особое удовлетворение астрофизикам доставляют крошечные различия в количестве и энергии фотонов реликтового излучения, которые приносит к нам из разных направлений. Эти вариации обусловлены неравномерным распределением вещества в эпоху разделения. В некоторых областях плотность материи была чуть выше средней, в некоторых — чуть ниже. Вся структура современной Вселенной отражает эти различия в плотности, потому что море фотонов накапливало их все это время. Области с более высокой плотностью имели больше шансов сформировать огромные скопления галактик; области с более низкой плотностью были лишены возможности концентрировать материю и превратились в пустоты.

Реликтовое излучение — прекрасный пример того, как появление результатов достаточно точных наблюдений приводит к победе одной из соперничающих теорий. Это открытие примечательно тем, что существование реликтового излучения было предсказано еще до того, как ученые получили возможность наблюдать его, и в данном случае предсказание было сделано за два десятилетия до появления технологии, позволившей доказать его верность. В 1927 году бельгийский католический священник Жорж Леметр, который также был космологом (в чем, конечно, есть определенный смысл), основываясь на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, создал концепцию «первоначального атома» — по сути дела предтечи модели Большого взрыва. Двадцать лет спустя, следуя рассуждениям Леметра, физик украинского происхождения Георгий Гамов (к тому времени гражданин США) в сотрудничестве с Ральфом Алфером и Робертом Херманом пришел к выводу, что ранняя Вселенная должна была быть чрезвычайно горячей, а затем постепенно охлаждаться. Алфер и Херман использовали законы физики для описания расширения Вселенной после момента разделения, когда образовались первые атомы, а фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, и пришли к выводу, что теперь реликтовое излучение должно иметь температуру, близкую к 5 К.

Да, их подсчет оказался неверным — сегодня мы знаем, что фактическая температура реликтового излучения составляет 2,73 градуса по шкале Кельвина. Но это не умаляет того факта, что эти трое ученых пришли к верному выводу об устройстве мира в столь древнюю космическую эпоху — и это достижение не менее важно, чем любое другое в истории науки. Взять за основу базовые закономерности физики, сидя в уютной лаборатории, и выявить с их помощью крупнейший комплекс данных, когда-либо измеренных, — получить кривую температурной истории Вселенной, — если это не сногсшибательно, то тогда вообще неясно, что можно считать таковым. Профессор Джон Ричард Готт III, астрофизик Принстонского университета, дал следующую оценку этому успеху в своей книге «Путешествия во времени в эйнштейновской Вселенной»:

«Предсказать существование излучения и затем предположить значение его температуры, ошибившись менее чем в два раза, — это замечательное достижение: это как если бы вы предсказали, что летающая тарелка диаметром 50 футов приземлится на газон у Белого дома, и затем стали свидетелем того, как именно туда прилетает и садится 27-футовая тарелка».

Когда Гамов, Алфер и Херман озвучили свои предположения, физики все еще не имели на руках точной истории зарождения Вселенной. В 1948 году, когда увидела свет работа Алфера и Германа, в Англии также вышли две научные статьи о теории «стационарной Вселенной». Одна из них была написана математиком Германом Бонди и астрофизиком Томасом Голдом, а другая — космологом Фредом Хойлом. Согласно теории стационарной Вселенной, последняя, хотя и расширяется, всегда выглядела и выглядит одинаково. Надо признать, эта гипотеза весьма привлекательна своей простотой. Но так как Вселенная все же расширяется, а стационарная Вселенная не могла бы вчера оказаться более горячей или более плотной, чем сегодня, сценарий Бонди, Голда и Хойла предполагает, что она постоянно «пополняется» новым веществом как раз с нужной скоростью для того, чтобы плотность бесконечно расширяющегося космоса не менялась. В противовес этому теория Большого взрыва (такой «кличкой» ее презрительно наградил Хойл, не зная, что она приживется) подразумевает, что все вещество, имеющееся сегодня во Вселенной, появилось разом. Некоторые находят в этой идее определенное утешение. Обратите внимание: теория стационарной Вселенной просто отодвигает в неопределенное прошлое сам вопрос о ее возникновении как таковом — уж очень удобная позиция для тех, кто предпочел бы вообще не касаться этой колючей темы.

Высказанное предположение о реликтовом излучении стало своеобразным предупредительным выстрелом в стан поклонников теории стационарной Вселенной. Его существование явно доказало бы, что когда-то Вселенная была совсем другой — гораздо плотнее и горячее, чем сегодня. Соответственно первые прямые улики, говорящие о реликтовом излучении, вогнали первые несколько гвоздей в крышку гроба стационарной теории (хотя Фред Хойл так никогда до конца и не принял факта существования реликтового излучения, подрывающего его элегантную теорию, и до самой смерти пытался найти ему альтернативное объяснение). В 1964 году реликтовое излучение было по счастливому стечению обстоятельств обнаружено радиофизиками Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в лабораториях компании Bell Telephone в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Чуть более десятилетия спустя Пензиас и Уилсон получат Нобелевскую премию за свою невероятную удачу и кропотливую работу.

Что же привело Пензиаса и Уилсона в нобелевские лауреаты? В начале 1960-х все физики были знакомы с микроволновым излучением, но почти никому не удавалось обнаружить наиболее слабые сигналы в микроволновой части спектра. В те дни большинство беспроводных способов коммуникации (рации, детекторы и др.) работало на радиоволнах, а их длина превышает длину СВЧ-волн. Ученым требовалось устройство, способное обнаружить волну более короткой длины, то есть была нужна более чувствительная антенна, которая могла такой сигнал уловить. В лабораториях Bell Telephone имелась одна огромная антенна в форме рога (или воронки), которая могла улавливать микроволновые сигналы не хуже, чем любой аналогичный аппарат на Земле.

Если вы соберетесь отправить или получить какой бы то ни было сигнал, вам не захочется, чтобы его нарушали другие сигналы. Пензиас и Уилсон пытались создать для Bell Labs новый коммуникационный канал, поэтому они хотели точно определить, какой объем фонового шума будет портить им сигнал — неважно, откуда бы он исходил: от Солнца, из центра галактики, от наземных источников. И они приступили к весьма стандартному, очень важному и совершенно невинному процессу измерения, по итогам ­которого должны были понять, насколько это вообще легко — улавливать микроволновое излучение. Да, Пензиас и Уилсон обладали определенными знаниями в области астрономии, но они не были космологами: эта пара физиков-техников просто хотела исследовать СВЧ-волны, понятия не имея о предсказаниях Гамова, Альфера и Германа. И уж чего они точно не собирались искать и обнаруживать, так это космическое микроволновое (оно же реликтовое) излучение.

Они провели запланированные исследования и скорректировали полученные данные, учтя все известные им источники помех. ­Однако в сигнале присутствовал фоновый шум, избавиться от которого не получалось, как бы они ни старались. Казалось, этот шум шел одновременно отовсюду, и его уровень оставался неизменным. Тогда они заглянули в свой огромный рог. Там гнездились голуби, из-за чего весь рупор и его ближайший радиус были покрыты «белым диэлектрическим веществом» (а попросту голубиным пометом). Видимо, Пензиас и Уилсон уже были на грани отчаяния, ибо они задались вопросом: может ли помет быть причиной непропадающего фонового шума? Они все тщательно очистили, и, надо признать, шум слегка уменьшился, но избавиться от него полностью так и не удалось. В 1965 году они опубликовали в «Астрофизическом журнале» научную статью, в которой назвали эту неразрешимую загадку «повышенной температурой антенны»; назвать ее «астрономическим открытием века» им просто не пришло в голову.

Пока Пензиас и Уилсон выскребали из рупора антенны птичий помет, команда физиков Принстонского университета во главе с Робертом Генри Дикке строила детектор, предназначенный специально для того, чтобы обнаружить то самое реликтовое излучение, о котором говорили Гамов, Алфер и Херман. Правда, профессора не располагали такими ресурсами, как сотрудники Bell Labs, поэтому работа у них продвигалась медленнее. Стоило Дикке и его коллегам услышать о полученных Пензиасом и Уилсоном результатах, как стало ясно: их обогнали. Принстонская команда прекрасно знала, что это за «повышенная температура антенны». Все вписывалось в теорию: температура, тот факт, что сигнал приходил равномерно и со всех сторон и не менялся в зависимости от вращения Земли (времени суток) или ее расположения на орбите Солнца (времени года).

Принятию подобной трактовки способствовало несколько причин. Фотонам нужно время на то, чтобы добраться до нас с вами из далеких уголков космоса, поэтому получается, что, глядя в космос, мы на самом деле смотрим в далекое прошлое. Это значит, что, если бы некие разумные обитатели одной далекой-далекой галактики измерили бы для своих нужд температуру реликтового излучения задолго до того, как это удалось сделать нам, они получили бы значение выше 2,73 градуса по шкале Кельвина, потому что жили бы намного раньше, — когда Вселенная была моложе, компактнее и горячее, чем сегодня.

Проверить это смелое утверждение легко! Оказывается, соединение углерода и азота под названием «циан» (с ним особенно хорошо знакомы смертники американской судебной системы — это активный ингредиент ядовитого газа) приходит в возбуждение под воздействием СВЧ-излучения. Температура микроволнового излучения выше, чем реликтового, поэтому микроволновое излучение приводит молекулу циана в большее возбуждение. Таким образом, соединения циана можно использовать в качестве космического термометра. Обозреваемые нами с большого расстояния (а значит, передающие привет из более молодых галактик) молекулы циана купаются в более теплых реликтовых лучах, чем посчастливилось циану в галактике Млечный Путь. Другими словами, получается, что те, другие, галактики с точки зрения циана живут более насыщенной жизнью. И ведь так и есть! Обозримый спектр циана в далеких галактиках демонстрирует микроволновое излучение именно той температуры, какую ожидалось бы увидеть и в нашей Вселенной в более ранний период ее существования.

Поверьте, выдумать такое просто невозможно.

Реликтовое излучение — это не просто прямое свидетельство более молодой и горячей Вселенной, оно оказывает астрофизикам (а значит, и теории Большого взрыва) гораздо более важную услугу. Оказывается, те фотоны, что входят в состав реликтового излучения, достигают нас с вами с огромным багажом информации о состоянии космоса как до, так и после обретения им прозрачности. Мы уже отмечали, что, пока с момента Большого взрыва не прошло примерно 380 тысяч лет, Вселенная была непрозрачной, и увидеть, как вещество обретает форму, было невозможно — даже если усесться в первом ряду этого космического кинотеатра. Прежде чем кто-нибудь смог бы где-нибудь увидеть что-нибудь стоящее, фотонам предстояло обрести возможность перемещаться беспрепятственно, пересекая Вселенную в любом направлении. Когда настало под­ходящее время, каждый фотон начал свое путешествие сквозь космос и не останавливался, пока не столкнулся с «первым и последним» в его жизни электроном. Все больше и больше фотонов прорывалось к дальним уголкам Вселенной, не встречая на ­своем пути ни одного электрона (потому что последние постепенно прикреплялись к атомным ядрам). Там им предстояло создать растущий щит из фотонов, астрофизики называют его «поверхностью последнего рассеивания». Этот щит, на формирование которого ушло примерно 100 тысяч лет, отмечает собой эпоху, в которую родились практически все атомы существующей сегодня Вселенной.

К тому времени вещество в крупных регионах Вселенной уже начинало понемногу объединяться. В местах его скопления возрастала и гравитация, вследствие чего вещества становилось еще больше. В таких регионах начали формироваться галактические суперкластеры, в то время как остальные регионы оставались относительно пустыми. Последние фотоны, оттолкнувшиеся от каких-либо электронов в пределах таких регионов скопления вещества, приобретали новый, чуть более холодный спектр по мере того, как покидали все увеличивающееся гравитационное силовое поле, которое частично забирало себе их энергию.

Реликтовое излучение действительно позволяет обнаружить ре­гионы, температура которых чуть выше или чуть ниже среднего значения; разница, как правило, не составляет больше одной стотысячной градуса. Такие теплые и прохладные участки отмечают собой наиболее рано сформировавшиеся скопления вещества. Мы знаем, как вещество выглядит сегодня, потому что можем наблюдать за галактиками, их скоплениями и сверхскоплениями. Чтобы понять, как образовались эти космические системы, мы прощупываем реликтовое излучение — реликвию далекого прошлого, которая до сих пор наполняет собой Вселенную. Анализ распределения реликтового излучения — это что-то вроде космической френологии: мы считываем бугорки на «черепе» молодой Вселенной и по ним определяем поведение не только Вселенной-младенца, но и Вселенной-взрослого.

Дополняя общую картину другими наблюдениями локальных и удаленных уголков Вселенной, астрономы могут составить представление о самых разных фундаментальных свойствах реликтового излучения. Сравнивая распределение размеров и температур чуть более теплых или холодных его областей, к примеру, мы можем прикинуть силу гравитации в более ранние периоды существования Вселенной, а значит, и то, как быстро вещество скапливалось в тех или иных регионах. Отсюда мы можем вычислить, сколько именно обычного вещества, темной материи и темной энергии включает в себя Вселенная (5, 27 и 68 % соответственно). Тут уже становится совсем легко определить, будет ли Вселенная расширяться до бесконечности и будет ли это расширение ускоряться или замедляться с течением времени.

Обычное вещество — это то, из чего сделаны все мы. Оно является источником гравитации и может поглощать, выделять или другим образом взаимодействовать со светом. Темная материя, как мы увидим в главе 4, представляет собой субстанцию неизвестной нам природы, которая, будучи источником гравитации, не взаимодействует со светом каким-либо известным нам образом. А темная энергия, знакомство с которой ждет нас в главе 5, ускоряет расширение Вселенной, заставляя ее увеличиваться в размерах быстрее, чем в случае, если бы темной энергии в ней не было вовсе. Френологические исследования показывают: сегодняшние космологи понимают, как вела себя новорожденная и юная Вселенная, однако в ней гораздо больше того, о чем они не имеют ни малейшего понятия. И все же, невзирая на существенные пробелы в понимании устройства Вселенной, сегодня у науки о космосе есть якорь — и более увесистый, чем когда-либо. Ведь реликтовое излучение несет на себе отпечаток того самого портала, через который все мы когда-то прошли, чтобы стать частью этого мира.

Открытие реликтового излучения привнесло в космологию новый уровень точности: оно подтвердило собой заключение, изначально полученное путем наблюдений за далекими галактиками, о том, что Вселенная расширяется уже миллиарды лет. Четкая и подробная карта реликтового излучения, впервые созданная для маленьких участков неба с помощью инструментов и телескопов, увлекаемых запущенными с Южного полюса аэростатами вверх, а затем и для целого небосвода с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (или спутника WMAP), закрепила за космологией отдельное место за столом экспериментальной науки. До того как мы с вами подойдем к концу нашего космологического повест­вования, мы еще не раз вернемся к спутнику WMAP, в 2003 году представившему первые результаты своих исследований.

Космологи — ребята с большим самомнением, иначе им вряд ли хватило бы наглости вычислять, с чего когда-то началась сама Вселенная. Правда, для новой эры наблюдательной космологии, возможно, будет характерна более скромная и менее раскованная позиция. Каждое новое наблюдение, каждая новая крупица данных могут пойти на пользу или оказаться во вред имеющимся теориям. С другой стороны, наблюдения обеспечивают базовый фундамент космологии, который учеными во многих других научных областях достается в разы проще, потому что им достаточно тех обширных результатов наблюдений, которые можно получить в лабораторных условиях. В то же время новые данные почти наверняка смогут развенчать некоторые небылицы, родившиеся когда-то за неимением возможности получить результаты наблюдений, позволивших бы их подтвердить или опровергнуть.

Нет такой науки, которая развивалась бы, не оперируя точными данными. И мы приветствуем космологию в рядах точных наук!

---