О реликтовом излучении приятно говорить, потому что оно есть везде и все про него слышали. О нем хотят узнать, потому что оно связано с самым главным вопросом: как появилась Вселенная? Оно связано с тем, что сейчас происходит, и, может быть, скажет о том, что будет в дальнейшем. Открытие реликтового излучения показало, как родилась Вселенная, что она была горячей. Само его существование — один из пяти тестов. Первый — это вычисление формулы, которая описывает его свойства.

Второе — является ли оно чернотельным. Оно должно быть чернотельным, потому что в самую раннюю эпоху фотоны 380 тысяч лет поглощались и переизлучались после аннигиляции частиц и античастиц. Единственный в нашей Вселенной объект, который имеет чернотельный спектр, — это реликтовое излучение. Его температура соответствует абсолютно черному телу: без излучения в линиях и без поглощения, а именно настоящему тепловому излучению. В отличие от реликтового излучения Солнце, например, имеет линии поглощения, и абсолютно черное тело, если мы закрасим краской, тоже имеет линии поглощения, отличающие его от черного тела. Может быть, там что-то содержит первичные молекулы, но на таком слабом уровне, что в ближайшие двадцать лет мы этого точно не увидим, потому что отсутствует оборудование, которое зарегистрирует их. Подтверждение того, что чернотельное излучение — это свойство реликтового излучения, было настолько важным, что за это открытие Джону Мазеру присудили Нобелевскую премию.

Рекомендуем по этой теме:
24361
Краткая история Вселенной

Если это чернотельное реликтовое излучение и если существуют структуры, галактики, скопления галактик и мы внутри нашей Галактики, то это должно отразиться в распределении абсолютно однородного излучения по всему небу. Если это так, то это еще одно подтверждение того, что реликтовое излучение имеет отношение к эпохе Большого взрыва. Причем распределение должно обладать какими-то свойствами. И третий тест — есть ли неоднородности. За открытие неоднородностей Нобелевская премия была присуждена Джорджу Смуту, которую они поделили вместе с Джоном Мазером. Спутник COBE обнаружил неоднородности, и он же обнаружил, что излучение абсолютно чернотельно.

Четвертый тест должен показать, что это то самое реликтовое излучение. Если реликтовое излучение имеет отношение к Большому взрыву, его температура должна расти, и чем моложе Вселенная, тем горячее реликтовое излучение: температура растет как 1+z, где z — красное смещение. Красное смещение — это свойство удаляющихся от нас объектов. Спектр излучения смещается в красную сторону, и мы по смещению можем определить, как быстро объект от нас удаляется, а зная шкалу расстояний, мы можем измерить расстояние до этого объекта. Красное смещение у реликтового излучения 1100 (z=1100). Когда мы приближаемся к нам, то, естественно, какие-то отпечатки событий, которые происходили позднее, отпечатываются на своем красном смещении, — к примеру, отпечатками могут быть скопления галактик. Скопления галактик взаимодействуют с реликтовым излучением красивым способом — это называется эффектом Зельдовича — Сюняева.

Называемый по первой статье Зельдовича и Сюняева эффект является следствием решения уравнения Компанейца, которое связывает энергетику процессов и взамодействий, происходящих с частицами и фотонами излучения, и основан на обратном Комптон-эффекте. Что происходит в скоплении галактик? Фотоны реликтового излучения пролетают через скопления галактик, взаимодействуют с горячими электронами. В скоплении электроны горячие, потому что у него большая масса, электроны движутся быстро, и они передают свою энергию фотонам. В результате фотон меняет свою частоту, потому что энергия фотона — это частота, умноженная на постоянную Планка. Частота возрастает, и в каком-то миллиметровом диапазоне, на какой-то частоте у нас не хватает фотонов. Мы видим ямку на месте скопления галактик в том месте, где должен быть источник, а фотоны перекачались в субмиллиметровый диапазон, и там мы видим пик. Эффект привязан к реликтовому излучению и не зависит от красного смещения, но мы можем измерить красное смещение для скопления галактик по спектрам галактик, в него входящих, и можем измерить и оценить температуру. Эта оценка температуры показывает, что с удалением от нас, а значит, и во времена, когда Вселенная была молодая, температура растет. И температура реликтового излучения растет с удалением от нас.

Например, мы можем говорить, что реликтовое излучение — это звезды, остаточное излучение звезд. Можем подбирать, интегрировать по всем звездам и говорить: «Смотрите, мы проинтегрируем, и у нас будет чернотельное излучение, там будут какие-то неоднородности, и звезды распределены неоднородно». Звезды нам должны объяснить, как выглядят неоднородности на больших масштабах и как они выглядят на маленьких. И мы видим, что это не проходит.

Второе великое дело, которое природа сделала для человечества, — это угловой спектр мощности. Он показывает, сколько энергии к нам приходит в зависимости от размера. Мы берем размер на небе, усредняем все измерения в данном размере, относим их к средней температуре и смотрим, сколько у нас энергии в этой области, какова доля этой энергии, затем уменьшаем размер. Точно так же проходим по всему небу и ставим следующую точку зависимости энергии от размера, таким образом проходим все точки — хотелось бы до бесконечности, но в настоящей момент до трех тысяч. Мы уменьшаем в два раза, где L — это номер соответствующего размера. Строим зависимость, функцию энергии от размера с уменьшающимся размером. Эта зависимость говорит, что реликтовое излучение — это реликтовое излучение. Никакое другое объяснение не подходит, когда мы смотрим на угловой спектр мощности.

Итак, угловой спектр мощности — это один из самых положительных моментов в исследовании Вселенной. Измеряя распределение излучения в зависимости от угла, в которое это излучение приходит, мы получили знания о различных этапах появления и эволюции структур, из которых мы образовались. Если существуем мы, они должны быть, и они были найдены. Структуры и их параметры были измерены, последние измерены однозначно. Спрашивают: «Как вы докажете, что реликтовое излучение — это самое важное?» Конечно, мы можем говорить о температуре, что это свойство горячей Вселенной. Но самое главное заключается в том, что это спектр, который рассказывает, как все было.

В 2003 году был запущен спутник американского агентства НАСА, который назывался WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — исследовательский зонд для исследования реликтового излучения имени Уилкинсона. Он измерил спектр реликтового излучения и положение пиков на этом спектре. Спектр — это квадрат амплитуд волн. Но и по своей форме он тоже напоминает волну. Положение этих пиков рассказывает о тех масштабах, на которых в самые ранние эпохи появились неоднородности. Их амплитуда показывает, как они росли, соотношение, как росли неоднородности на разных масштабах. Из этих неоднородностей мы можем получить знания о космологических параметрах.

Рекомендуем по этой теме:
12327
Антропный принцип в теории струн

WMAP измерил первые три пика, получил описание космологических параметров. Он показал, что нужно все шесть космологических параметров, чтобы описать спектр, а значит, описать свойства нашей Вселенной. И сделал прогноз о положении остальных пиков. Если мы знаем космологию, мы можем сказать, где находятся другие. Когда спустя десять лет был подготовлен и запущен телескоп «Планк», первое, что он сделал за первые полгода, — измерил спектр мощности. «Планк» летал четыре года, но спектр мощности был измерен со знанием до восьмого пика. И оказалось, что космологические предсказания, которые были сделаны WMAP, подтвердились. Какой еще другой тест может сделать такое? Какое объяснение у реликтового излучения может быть, что это какое-то другое излучение, отличное от того, что было в Большом взрыве? Теория горячего начала Вселенной полностью подтверждена, параметры ее измерены. Осталось измерить тот самый ранний этап Вселенной, который называется инфляционное расширение. Было оно или нет, мы сейчас не знаем, но знаем некоторые прогнозы того, что должно быть, если бы начало было инфляционным.

Наши прогнозы связаны с неоднородностями, которые должны иметь строго случайное гауссово распределение по амплитудам. Эти неоднородности должны соответствовать распределению скоплений галактик по массам. Излучение, которое к нам приходит и которое мы видим как реликтовое, излучалось из других мест. Оно излучалось не из нашей локальной Вселенной, потому что должно было пройти за 13,8 миллиарда лет — время существования Вселенной — все расстояние. Но Вселенная расширилась, и она отличается от того, что к нам пришло. Излучение от неоднородностей, связанное с неоднородностями при формировании нашей Галактики, ушло в другом направлении, и мы его не видим. Гауссова статистика — это как шум в телевизоре, или как распределение положений дротиков, когда вы их кидаете в мишень, или распределение девочек и мальчиков одного возраста по росту. Это предсказание теории инфляции. Кроме того, теория инфляции показывает, как сделать Вселенную, плоскую при любых стартовых условиях. Если у нас была инфляция, Вселенная будет плоская: сумма углов треугольников на масштабах порядка 10 или 30 миллионов световых лет будет равна 180.

Главное предсказание — это то, что скопление галактик по массам должно соответствовать распределению виртуальных частиц, рождающихся в вакууме, по энергиям. Оно было доказано. Эта работа была сделана Чибисовым и Мухановым в самую раннюю эпоху создания и существования теории инфляции, а именно в конце 1970-х — начале 1980-х годов. Было еще одно предсказание, что разные неоднородности разного размера должны расти с разной скоростью. Об этом говорит наклон спектра этих неоднородностей, соотношение между амплитудами — оно должно быть около 0,96–0,97. Это предсказание тоже подтвердилось, поэтому все говорит, что была инфляция.

Рекомендуем по этой теме:
25982
Как устроена Вселенная?

Мы не видим только главного — как инфляция изменяет свойства реликтового излучения в дальнейшем, породив гравитационные волны в период расширения Вселенной. Ожидалось, что первичные гравитационные волны найдет миссия «Планк». Она их не нашла, потому что произошла путаница с данными о нашей Галактике с холодной пылью, которая находится в магнитных полях и мимикрирует под первичные гравитационные волны, но стало понятно, как с этим работать. Будущее исследований реликтового излучения связано с исследованием вихревой или магнитной B-моды поляризации, и исследования ведутся прямо сейчас, и готовится еще несколько экспериментов. Сейчас в Антарктиде проходит эксперимент BICEP-3: на трех частотах измеряют в областях неба, где минимальный вклад пыли. И со знанием методов разделения компонент мы, может быть, узнаем, как будет выглядеть наше знание о самой ранней Вселенной. Я оптимист, верю в будущее, поэтому хорошо, что такие тесты есть. Они обнадеживают.