Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

Только после открытия реликтового излучения начиная с 1966 г. были опубликованы работы И. С. Шкловского, Дж. Филда, Дж. Хитчкока, П. Тадеуша и Дж. Вольфа, в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, наблюдавшееся в спектре ζ Змееносца и других звезд, вызвано реликтовым излучением. Таким образом, еще в 1941 г. было обнаружено, хоть и косвенное проявление реликтового излучения.

Но и это еще далеко не конец истории.

Вернемся к проблеме технической возможности открытия реликтового излучения. Возникает вопрос: когда техника уже позволяла это сделать? С. Вайнберг пишет: «Трудно ответить точно, но мои коллеги-экспериментаторы говорят мне, что наблюдения могли быть проведены задолго до 1965 г., возможно, в середине пятидесятых,. а может быть даже и в середине сороковых годов». Так ли это?

В середине пятидесятых годов молодой ученый Т. А. Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Вилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда не было еще столь чувствительных приемников, которые были потом у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 г. в его кандидатской диссертации и в советском журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений Шмаонова и велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, мы понимаем теперь, что он измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни сам Шмаонов, ни его руководители, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.

Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Вилсоном в 1965 г. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к, раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи. В развитие различных аспектов современной космологии выдающийся вклад внесли научные школы, созданные С. Вайнбергом, В. Л. Гинзбургом, Я. Б. Зельдовичем, А. Л. Зельмановым, М. А. Марковым, И. М. Халатниковым, С. Хокингом и другими.

О новейших открытиях в этой области говорится, в заключительной главе книги.

Открытие расширяющейся Вселенной Хабблом поставило перед естествознанием вопрос огромной мировоззренческой значимости: как Вселенная взорвалась?

Теория Фридмана описывает, как под действием сил тяготения происходит это расширение. Галактики удаляются друг от друга, двигаясь по инерции, а силы взаимного тяготения постепенно тормозят их движение и замедляют расширение Вселенной.

Но теория не отвечает на вопрос, почему расширение началось. Откуда в веществе, из которого потом образовались галактики, взялись начальные скорости расширения?

Обнаружение реликтового излучения показало, что в самом начале Вселенная была горячей, давление вещества, которое тогда распределялось в пространстве почти однородно, было огромным.

На первый взгляд большое давление крайне важно. Вспомним картину взрыва какого-либо заряда, когда в малом объеме выделяется энергия. Это может быть, например, химическая энергия или ядерная. Вещество заряда сильно нагревается и испаряется. Давление нагретых газов вызывает его стремительное расширение. Когда мы обращаемся к началу расширения Вселенной, невольно перед глазами предстает только что описанная картина. Не являются ли большие температура и давление причиной начала расширения? Нет, такое заключение неправильно. Между двумя описанными явлениями имеется существенное различие. При взрыве заряда есть перепад давлений — огромное давление внутри горячих газов и сравнительно малое атмосферное давление снаружи (если взрыв происходит в воздухе). Этот перепад и создает силу, расшвыривающую вещество. Именно перепад давлений создает силу, а не само высокое давление. Ведь если бы снаружи взрывающихся газов давление было такое же, что и внутри, то, очевидно, никакого разлета вещества не было бы. Кроме того, плотность расширяющегося горячего газа при взрыве неоднородна: максимальна в центре и спадает к краям. В ходе разлета перепад давлений, связанный с перепадом плотности и температуры, создает силу, подталкивающую разлетающийся газ.

Ничего подобного нет в начале расширения Вселенной. Ее вещество до образования небесных тел было однородно, никаких перепадов плотности и давления не было. Поэтому не возникало силы, которая могла бы служить причиной начала расширения. Следовательно, большое давление горячего газа не есть причина начала расширения Вселенной.

Что же послужило «первотолчком», давшим начальные скорости веществу? Для того, чтобы восстановить процессы, происходившие в самом начале расширения,. необходимо найти в сегодняшней Вселенной следы этих наиболее «древних» процессов.

Оказывается, такими. «следами» являются фундаментальные свойства сегодняшней Вселенной. Без специального объяснения происхождения этих свойств во время взрыва Вселенной они представляются загадочными.

Первая из таких загадок — однородность Вселенной в больших масштабах. Наблюдения показывают, что на расстояниях больше сотен мегапарсек скопления галактик распределены в пространстве однородно. Правда, для больших расстояний выводы делать трудно из-за сложности наблюдения далеких слабых объектов. Подобные наблюдения еще ничего не говорят впрямую и о распределении «скрытой массы» — невидимых (несветящихся} форм вещества. Тем не менее вывод о крупномасштабной однородности Вселенной и для видимого, и (что особенно важно) невидимого вещества вполне надежен. Как он получен?

Инструментом исследования послужило реликтовое излучение.

Сегодня Вселенная совсем прозрачна для этого излучения, но в прошлом было не так. Когда температура превышала 4000 К, все вещество представляло собой ионизованную плазму (отдельных небесных тел тогда еще не было), непрозрачную для реликтового излучения. Превращение плазмы в нейтральное вещество произошла спустя 300 тыс. лет после начала расширения и, начиная с этой эпохи, подавляющее большинство реликтовых фотонов движется по прямой, уже не взаимодействуя о нейтральными атомами. Поэтому, когда мы наблюдаем реликтовое излучение, мы заглядываем в прошлое — в ту далекую эпоху, которая называется эпохой рекомбинации, поскольку тогда происходил захват электронов атомными ядрами и образовывалось нейтральное вещество. За время, прошедшее с эпохи рекомбинации, излучение успевает преодолеть около 15 млрд. световых лет. Это максимальное расстояние, которое свет пройдет в расширяющейся Вселенной, даже если он вышел в самом начале расширения, т. е. 15 млрд. лет назад. Поэтому такое расстояние называют расстоянием до горизонта видимости. Таким образом, с помощью реликтового излучения мы «просматриваем» практически всю доступную наблюдениям область Вселенной.