Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Дальнейшие исследования реликтового излучения показали, что это излучение не так однородно, как казалось вначале. В 1968 г. Мартин Рис и Деннис Сиама, а в 1969 г. Рашид Сюняев и Яков Зельдович теоретически разработали два разных механизма, которые должны приводить к анизотропии [39] Анизотропия — это отсутствие изотропности, т.е. зависимость некоторой величины от направления. реликтового излучения. В 1977 г. Джордж Смут с коллегами экспериментально обнаружил дипольную составляющую анизотропии по данным измерений реликтового излучения с борта высотного самолета-разведчика U-2.

Что такое дипольная асимметрия? Представьте, что вы стоите на открытом воздухе в безветренный день. Вы не чувствуете давления воздуха, поскольку оно действует одинаково со всех сторон, т. е. изотропно. Теперь вы начинаете двигаться вперед и можете четко ощущать повышение давления спереди и понижение давления сзади, потому что молекулы ударяют по вам спереди сильнее и чаще, чем сзади. Это пример дипольной асимметрии, при которой имеется направление, в котором изменяется некая величина, но она неизменна в любом перпендикулярном ей направлении. Более сложной является квадрупольная асимметрия. Вы можете ее продемонстрировать, поставив два одинаковых вентилятора, которые дуют на вас спереди и сзади.

Объяснить найденную дипольную составляющую анизотропии реликтового излучения можно следующим образом: в некоторой системе отсчета эта дипольная составляющая равна нулю, но Земля движется вокруг Солнца, Солнце – вокруг центра Галактики, а Галактика падает на скопление в созвездии Девы и другие области концентрации плотности – аттракторы. При этом возникает эффект Доплера, приводящий к тому, что видимая температура реликтового излучения в направлении движения Земли повышается, а в противоположном направлении – понижается. Существует система отсчета, в которой обнуляется дипольная компонента реликтового излучения. Относительно нее Солнце движется со скоростью 371 км/с в направлении созвездия Льва. Сейчас именно эту систему отсчета используют для анализа космологических данных.

Таким образом, репутация принципа относительности Галилея, который утверждает, что законы движения одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, «несколько подмочена», поскольку теперь у нас имеется выделенная система отсчета, которая «лучше» других систем отсчета, движущихся относительно нее с постоянной скоростью. В определенном смысле это можно было бы рассматривать как воскрешение идей давно забытой теории эфира, постулирующей, что выделенной является система, в которой эфир неподвижен. Это, однако, не означает, что мы должны вернуться к принципиально ошибочной теории эфира.

Принципиальный шаг в исследовании свойств реликтового излучения был связан с использованием космических аппаратов. К этому моменту астрономы уже вывели в космос свои инструменты, используя специальные астрономические спутники. Вывод астрономических инструментов за пределы атмосферы решил две задачи. В тех диапазонах электромагнитного излучения, где атмосфера прозрачна, например для видимого света, атмосфера все-таки портит качество изображения за счет флуктуаций плотности и других явлений. Все мы знаем, что звезды на небе мерцают. Этот эффект связан исключительно со свойствами атмосферы и, естественно, мешает качественным наблюдениям звезд. Астрономы по мере возможности боролись с этой помехой, располагая телескопы высоко в горах, но к описываемому времени все, что мог дать этот метод, было давно исчерпано.

Что касается тех диапазонов, где атмосфера непрозрачна, то выход в космос открыл невиданные до тех пор перспективы. Основными из таких диапазонов являются инфракрасный, ультрафиолетовый и рентгеновский. Кое-что в этих диапазонах умудряются наблюдать и на Земле. Например, чтобы наблюдать в инфракрасном диапазоне, астрономы отправляются в Антарктиду, которая имеет не только очень низкую температуру воздуха, но и расположена на высоте нескольких километров над уровнем моря.

В случае реликтового излучения ни одна из этих причин не была принципиальной. Атмосфера прозрачна для того диапазона, в котором его наблюдают, в противном случае Пензиас и Уилсон просто ничего бы не обнаружили. Флуктуации в атмосфере могут привести к отклонениям, но на достаточно небольшой угол. Для астрономии это важно, но в то время исследователи реликтового излучения пытались обнаружить какую-либо анизотропию. Проблема была связана с другим фактором. Сейчас мы знаем, что отклонения в температуре реликтового излучения, приходящего из разных участков небесной сферы, отличаются где-то на уровне 10–4 K. Для измерения таких тонких отличий необходимо избавиться от других источники излучения с длиной волн 7,35 см. Реликтовое излучение похоже на излучение от черного тела, нагретого до температуры около 3 K, если про такое тело можно сказать «нагрето». Для нас оно, скорее, охлаждено до –270 °C. К сожалению, сама атмосфера, а также большинство тел при комнатной температуре сильно излучают на этой длине волны. Для того чтобы минимизировать их влияние, космологи установили свои инструменты на высотных воздушных шарах, но те могут одновременно измерить лишь излучение небольшого участка неба.

Именно поэтому для обнаружения дипольной компоненты реликтового излучения понадобился высотный самолет-разведчик. Но космологов больше интересовали флуктуации, не сводящиеся к движению Земли относительно реликтового излучения. Для их поиска использовали воздушные шары с приборами, которые летали продолжительное время в верхних слоях атмосферы.

Выход космологии в космос был связан с запуском в 1983 г. советского космического аппарата «Прогноз-9» с комплексом аппаратуры «Реликт-1» на борту. Он осуществил первые измерения реликтового излучения из космоса. К сожалению, недостаточная чувствительность радиометра и тот факт, что измерения проводились на фиксированной частоте 37 ГГц, привели к сильному затягиванию процесса обработки данных. Тем не менее авторам эксперимента удалось получить ограничения на уровень анизотропии [40] Температуру реликтового излучения, как и любую другую величину, можно представить в виде суммы изотропной и анизотропной составляющей. Уровень анизотропии представляет собой отношение величины анизотропного компонента к общему значению этой величины. . А в 1989 г. американцами был запущен уже целый космический аппарат COBE (сокращение от COsmic Background Explorer), предназначенный для исследования реликтового излучения. Он использовал модифицированную версию того самого дифференциального радиометра, который был установлен на борту U-2. Первые 15 минут его работы дали больше информации о спектре реликтового излучения, чем было получено за всю историю наземных измерений. В частности, было окончательно подтверждено, что спектр реликтового излучения является планковским [41] Иными словами, его спектр совпадал со спектром теплового излучения абсолютно черного тела с определенной температурой. . Именно спутник COBE впервые обнаружил анизотропию реликтового излучения, уровень которой был принципиально важен для выбора между разными космологическими моделями.