Стивен Вайнберг - Первые три минуты [litres]

К сожалению, атмосфера нашей планеты, почти прозрачная на волнах длиннее 0,3 см, все сильнее «мутнеет» при продвижении в коротковолновую область. Наземная радиообсерватория – даже если ее поднять на вершину горы – вряд ли сможет уловить космический фон на волнах короче 0,3 см.

Но, как ни удивительно, реликтовое излучение в коротковолновой области было поймано задолго до тех астрономических наблюдений, о которых мы рассказали. Причем не в радио- или инфракрасном свете, а самыми обычными оптическими телескопами! В созвездии Змееносца есть облако межзвездного газа, лежащее на линии между Землей и ζ Змееносца, – горячей, ничем не выдающейся звездой. Ее спектр испещрен рядом непривычных темных линий, сигнализирующих о том, что попадающий на луч зрения газ поглощает свет определенных длин волн. Как раз тех, при которых фотон имеет энергию, подходящую для перевода молекул газа в облаке из низкоэнергетического состояния в возбужденное. (Как и атомы, молекулы существуют только в состояниях с определенной, «квантованной» энергией.) Таким образом, засекая длины волн, на которых возникают темные линии, мы можем узнавать эти молекулы и их состояния.

Одна из линий поглощения в спектре ζ Змееносца приходится на 3875 ангстремов (38,75 миллионных долей сантиметра), намекая на присутствие в межзвездном облаке молекулы циана (CN), содержащей по атому углерода и азота. (Строго говоря, CN следует называть «радикалом», поскольку в нормальных условиях он мгновенно присоединяет другие атомы, образуя более устойчивые молекулы – например, ядовитую синильную кислоту HCN. Однако в межзвездном пространстве циан довольно стабилен.) В 1941 г. У. С. Адамс и Э. Маккеллар установили, что эта линия поглощения на самом деле расщепляется на три компоненты с длинами волн 3874,608 Å, 3875,763 Å и 3873,998 Å. Первая из них соответствует переходу молекулы циана из низшего («основного») состояния на колебательный уровень. Она должна присутствовать даже при нулевой температуре. Однако две другие линии можно объяснить, только если предположить, что молекула переходит в различные колебательные состояния с вращательного уровня, чуть более энергичного, чем основное состояние. Получается, что изрядная доля молекул циана в межзвездном облаке должна находиться именно на вращательном уровне. Взяв известную разницу энергий основного и вращательного уровней, а также измерив наблюдаемую интенсивность линий поглощения, Маккеллар заключил, что циан подвергается некоему воздействию с температурой в 2,3 К – именно оно заставляет молекулы переходить на вращательный уровень.

Вместе с тем не было никаких оснований подозревать связь между этим загадочным воздействием и происхождением Вселенной, поэтому сей любопытный факт остался без внимания. И лишь после открытия в 1965 г. реликтового излучения стало ясно (благодаря Джорджу Филду, И. С. Шкловскому и Н.Дж. Вулфу), что именно оно несет ответственность за обнаруженный в 1941 г. эффект вращения молекул циана в облаках Змееносца. Длина волны фотонов чернотельного излучения, которые могут перевести молекулу на вращательный уровень, равна 0,263 см. Это короче нижней границы диапазона, доступного наземной радиоастрономии, но все равно недостаточно для проверки резкого спада планковского распределения при длинах волн меньше 0,1 см.

С тех пор не раз предпринимались попытки найти другие линии поглощения, связанные с переходом молекул циана на другие вращательные уровни или же переходом каких-нибудь других молекул в различные вращательные состояния. В 1974 г. в межзвездном циане удалось измерить линию поглощения второго вращательного уровня. Оценка интенсивности возбуждающего излучения на длине волны 0,132 см тоже дала температуру около 3 К. Однако из подобных наблюдений пока удалось установить лишь верхние пределы плотности лучистой энергии на волнах короче 0,1 см. Эти результаты тем не менее обнадеживают, так как свидетельствуют: в области 0,1 см все-таки есть некий спад, который должен иметь место и для чернотельного излучения. Впрочем, знание этих верхних пределов пока не позволяет нам утверждать, что мы имеем дело с излучением абсолютно черного тела. И уж тем более не позволяет точно вычислить его температуру.

Справиться с этой задачей ученые пробуют, поднимая инфракрасные приемники над земной атмосферой на аэростатах или ракетах. Эти невероятно кропотливые эксперименты поначалу давали весьма противоречивые результаты, одинаково играя на руку как сторонникам стандартной космологии, так и противникам. Прибор на ракете корнелльской группы на коротких волнах зарегистрировал гораздо больше излучения, чем предсказывает формула Планка. А результаты аэростатного эксперимента Массачусетского технологического института более или менее согласовались с чернотельной моделью излучения. Обе научные группы продолжили исследования и в 1972 г. сообщили, что, по-видимому, космический фон вписывается в планковское распределение с температурой 3 К. В 1976 г. в аэростатном эксперименте группа из Беркли подтвердила, что плотность энергии излучения продолжает падать в промежутке от 0,25 до 0,06 см. Соответствующая температура лежит в диапазоне от 0,1 до 3 К. В общем, сейчас, наверное, мало кто сомневается, что микроволновый фон представляет собой чернотельное излучение с температурой около 3 К.

Но почему бы, спросите вы, не установить инфракрасные приемники на искусственный спутник Земли и не провести полноценный эксперимент за пределами атмосферы? Не уверен, что я знаю ответ на этот вопрос. Обычно говорят, что измерения 3-градусного фона невозможны без специального криогенного оборудования с жидким гелием (так называемая холодная нагрузка), а поставить его на спутник пока не позволяют технологии. Но что-то мне подсказывает: такая полноценная миссия на самом деле просто потребует значительно увеличить бюджет, выделенный на космические исследования.

Без искусственных спутников точно не обойтись, если мы захотим изучить зависимость интенсивности излучения не только от длины волны, но и от направления. Пока все наблюдения говорят о том, что реликтовое излучение изотропно, т. е. не зависит от направления прихода. Как мы знаем из предыдущей главы, это один из самых сильных доводов в пользу космологического принципа. Однако не так-то просто отличить зависимость от направления, присущую реликтовому фону (если она есть), от эффектов, вызванных влиянием земной атмосферы. Когда проводятся наземные измерения, атмосферные помехи, как правило, вычитаются в предположении, что космический фон изотропен.

Почему вообще стоит изучать зависимость микроволнового излучения от направления? Дело в том, что оно и не должно быть строго изотропным. Интенсивность в разных направлениях, не исключено, чуть-чуть меняется – ведь Вселенная в эпоху рекомбинации и позже не совсем однородна. Скажем, галактики на стадии своего становления могут проявляться на небе в виде теплых пятен, излучающих так же, как черное тело, но с немного большей температурой. Кроме того, интенсивность наверняка плавно меняется в пределах всего неба, отражая движение Земли во Вселенной. Наша планета вращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, а Солнечная система увлекается вращением нашей Галактики со скоростью 250 км/с. Никто точно не знает, какую скорость по отношению ко всеобщему распределению типичных галактик имеет Млечный Путь, но, скорее всего, она составляет несколько сотен километров в секунду. Предположим, мы движемся со скоростью 300 км/с по отношению к усредненному распределению галактик, а значит, и к реликтовому излучению. Тогда интенсивность излучения, летящего нам в лоб или вдогонку, будет соответственно больше или меньше на 0,1 % (300 км/с поделить на скорость света). Таким образом, эквивалентная температура должна плавно меняться с направлением, превышая среднюю на 0,1 % с той стороны, куда мы летим, и будучи ниже ее с той, откуда прилетели. Лучшие верхние ограничения изменения температуры, полученные в последние годы, расположены на уровне как раз 0,1 %. То есть пока мы пребываем в подвешенном состоянии: вроде бы уже готовы измерить скорость Земли во Вселенной, но еще не способны это сделать. До тех пор, пока на орбиту не будут выведены спутники, однозначно решить эту проблему не удастся. (Буквально в тот момент, когда я вносил последние исправления в эту книгу, от Джона Матера из НАСА пришел первый новостной бюллютень «Спутника для исследований космического фона» (Cosmic Background Explorer Satellite, COBE). В нем приводится официальный состав исследовательской группы из 6 человек под руководством Райнира Вайса из МИТа, цель которой – оценить целесообразность космических измерений инфракрасного и микроволнового фона. Что ж, в добрый путь!)