Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Массивные горячие светила первого поколения, как уже говорилось, по традиции называют звездами населения III. Именно они начали возрождать плазменное состояние материи, которое сейчас доминирует в космосе. Постепенно все большая доля космического водорода переходила в ионизированное состояние из-за поглощения ультрафиолетового излучения первых звезд, так что космическое пространство заполнялось протонами и электронами. Этот процесс дал ощутимые результаты примерно через полмиллиарда лет после начала звездообразования. Так началась эпоха реионизации, которая к концу первого миллиарда лет существования Вселенной завершилась практически полной ионизацией межгалактического водорода. Некогда исчезнувшая плазма возродилась в новом качестве и с тех пор присутствует в космосе в различных формах.

Но вернемся к реликтовому излучению. Оно почти идеально однородно и столь же идеально изотропно и неполяризовано. Это означает, что оно равномерно заполняет космическое пространство, а его интенсивность одинакова по всем направлениям. Следовательно, его поток через произвольно выделенную площадку строго равен нулю, поскольку в любом направлении оно переносит ту же энергию, что и в обратном. Его спектр (то есть распределение удельной интенсивности по частотам или длинам волн) определяется знаменитой формулой, с которой в 1900 г. началась квантовая физика. Исторически она была выведена Максом Планком для описания излучения абсолютно черного тела. Форма планковского спектра задается всего одним внешним параметром — температурой излучающей среды, которая по определению считается температурой самого излучения.

Из общих принципов физики следует, что чернотельное излучение находится в полном тепловом (термодинамическом) равновесии с излучающим его веществом (поэтому оно также называется равновесным). В этом состоянии все прямые и обратные процессы идут с одинаковой скоростью. Это обстоятельство позволяет однозначно ввести понятие температуры среды, которая и определяет ее физическое состояние. Как раз таким и было взаимодействие между плазмой и электромагнитным излучением в эпоху рекомбинации (в данном случае с равной скоростью шли процессы испускания и поглощения фотонов). Поэтому после рекомбинации фотоны вышли на свободу с планковским спектром. Поскольку с тех пор они почти перестали взаимодействовать с веществом, характер этого спектра сохранился до нашей эпохи — лишь с поправкой на то, что излучение тысячекратно остыло. Таким его сегодня и детектируют.

Формула Планка неодинаково ведет себя при разных частотах. Для малых частот (или, что то же самое, для больших длин волн) интенсивность излучения при фиксированной температуре возрастает как квадрат частоты и не зависит от постоянной Планка. Этот предельный случай формулы Планка совпадает с законом Рэлея — Джинса, который справедлив для чисто классического (то есть неквантового) излучения. В пределе больших частот (или малых длин волн) интенсивность излучения, напротив, очень быстро падает с увеличением частоты. Это уже неклассический эффект, который возникает, когда излучение рассматривается как поток квантовых частиц — фотонов. Поэтому график формулы Планка с частотами на оси абсцисс и удельной интенсивностью излучения на оси ординат выглядит как сильно асимметричный колокол. Ее максимальное значение (то есть пик графика) пропорционально температуре. В нашу эпоху интенсивность реликтового излучения максимальна на частоте 160 ГГц, что соответствует миллиметровому волновому диапазону. По мере дальнейшего расширения Вселенной она будет сдвигаться в сторону еще бóльших длин волн и, соответственно, меньших частот.

Даже в нашу эпоху сильно остывшей Вселенной реликтовое излучение однозначно доминирует в Большом космосе. Каждый кубический сантиметр пространства в среднем вмещает 400–500 реликтовых фотонов с суммарной энергией порядка четверти электронвольта, что куда больше, чем для прочих излучений. Так, суммарная плотность энергии излучения в ближней инфракрасной области, в видимом спектре и в ультрафиолете по порядку величины равна 0,01 эВ/см 3. Для рентгена и гамма-излучения она измеряется стотысячными долями электронвольта на кубический сантиметр, а для радиоволн метрового диапазона — стомиллионными. Аналогично реликтовое излучение абсолютно лидирует и по плотности фотонов. Надо отметить, что эти величины отражают ситуацию лишь в межгалактическом пространстве. Естественно, что внутри галактик и вблизи звезд доминируют другие излучения. Некоторые из них, такие как солнечный свет, даже даны нам в ощущениях.

Коль скоро фоновое излучение является, так сказать, непременным атрибутом нашей Вселенной, оно должно проявить себя и в космофизических процессах, то есть в принципе быть наблюдаемым. Отсюда следует тривиальный вывод: реликтовое излучение могло бы быть открыто иначе, нежели это произошло в действительности. История науки это подтверждает.

Все началось с работ астрономов-спектроскопистов, что и не удивительно. Реликтовое излучение может изменять населенности энергетических уровней атомов и молекул межзвездного газа и, следовательно, проявлять себя в линиях их оптических спектров. Благодаря этому в 1940 г. его едва не открыл канадский астроном Эндрю Маккеллар [45] McKellar, A. Molecular Lines from the Lowest States of Diatomic Molecules Composed of Atoms Probably Present in Interstellar Space, Publications of the Dominion Astro-Physical Observatory Victoria (1941), 7: 251–272. . Он узнал от директора калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон Уолтера Адамса, что определенная популяция рассеянного в межзвездном пространстве циана CN и его иона CN +находится не в основном состоянии, а в двух возбужденных — и, следовательно, имеет более высокую энергию. Происхождение добавленной энергии, естественно, нуждалось в интерпретации. Маккеллар пришел к выводу: такое положение дел можно объяснить тем, что космический газ нагрет до средней температуры 2,3 K (он оценил нижнюю границу нагрева в 1,8 K, а верхнюю — в 3,4 K). Если бы Маккеллар сделал следующий шаг и хотя бы чисто гипотетически допустил, что источником нагрева служит тепловое фоновое излучение такой температуры, оно, быть может, было бы открыто гораздо раньше. Однако и Маккеллар, и Адамс воздержались от такой интерпретации — вполне в духе известного изречения Ньютона Hypotheses non fingo — «Гипотез не измышляю».

Вообще-то результаты Адамса и Маккеллара отнюдь не прошли незамеченными коллегами, но не считались особенно важными. Более того, в 1950 г. известный специалист по физической химии и будущий нобелевский лауреат Герхард Герцберг практически дезавуировал данную Маккелларом оценку температуры космического циана, отметив в своей авторитетной монографии о молекулярных спектрах, что она большого значения не имеет. Как известно, ученым нередко мешают шоры.