Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Как гласит поговорка, если все, что у вас есть, — молоток, вы повсюду будете видеть гвозди. Гвоздями Хойла были звезды. Он понимал их, как никто другой. Чтобы возродить свою обновленную модель стационарного состояния буквально из пепла и таким образом продолжить четвертый раунд Великих дебатов, Хойл использовал обнаруженное им и Бербиджем совпадение: что создаваемая звездами энергия равна энергии черного тела с температурой 2,7 кельвина. Проблема была в том, что, как это хорошо видно на примере Солнца, звездный свет не находится в микроволновой части электромагнитного спектра. Звезды излучают преимущественно видимый свет. Поэтому Хойлу и Бербиджу нужно было каким-то образом преобразовать видимый свет звезд в микроволновое излучение, чтобы объяснить сделанное Пензиасом и Уилсоном открытие.

Хойл постулировал, что космическое микроволновое фоновое излучение не реликт Большого взрыва, а результат трансформации обычного видимого звездного света при взаимодействии с космической пылью. Пыль, рассевающая звездный свет в небытии космоса, как писал Руми.

К 1960-м годам уже было известно, что, поскольку пыль рассеивает свет коротковолнового диапазона (например, синий) гораздо сильнее, чем длинноволновый свет (такой как красный), попадающий на телескопы свет выглядит намного краснее, чем в момент излучения {8} . Вы можете наблюдать это явление на закате, когда желтое днем Солнце вдруг начинает пылать алым цветом. Разумеется, дело не в самом Солнце — оно излучает все те же 5500 кельвинов. Вечерний свет кажется таким красным, так как проходит через атмосферу гораздо большее расстояние от горизонта до ваших глаз и по пути сталкивается с бóльшим количеством атмосферной пыли, чем в полдень (рис. 22).

Если солнечный свет краснеет из-за малого количества пыли в земной атмосфере, то свет далеких звезд, путешествующий по пыльному космосу миллиарды лет, должен быть чрезвычайно красным. На самом деле красное смещение должно выйти за пределы видимого спектра в микроволновый диапазон. Разумеется, рассеивание звездного света пылью было намного более простым объяснением реликтового излучения, чем теория Большого взрыва, трактовавшая его как остаточное излучение от огненного шара с бесконечно высокой температурой.

Хойл знал о коварстве космической пыли, которая затуманила взор даже великому Галилею. Он утверждал, что реликтовое излучение — всего лишь очередной пылевой мираж, вселивший надежды в сторонников Большого взрыва. Но сколько пыли в космосе? Из чего она состоит? Как она образовалась? На эти вопросы нужно было дать ответ, иначе модель космологии квазистационарного состояния сама рисковала рассыпаться в пыль.

Астрономам не надо искать пыль — она сама их находит. Пыль была врагом астрономов задолго до открытия реликтового излучения. Именно пыль, затеняя обширные участки нашей Галактики, заставила Гершеля отвергнуть принцип Коперника, доказанный Галилеем больше века назад. Рассеивая свет далеких звезд, пыль обманула Хаббла, заставив его прийти к выводу, что далекие галактики находятся гораздо дальше, чем они есть на самом деле. Но откуда в космосе пыль?

Этот вопрос мучил астрономов всю первую половину XX века. К 1930-м годам они смогли оценить размер крупиц, вызывающих красное смещение спектра {9} . Эти частицы должны быть больше, чем длина волны красного света (около половины миллионной части метра). Таким образом, исключались отдельные атомы или молекулы, которые были значительно меньше. С другой стороны, это не могли быть и слишком крупные частицы, так как они отражали бы все длины волн звездного света одинаково. Оставалось одно: пыль должна состоять из твердых частиц, сопоставимых по размеру с длиной волны видимого света. Но форма и состав этих частиц по-прежнему оставались загадкой. На что похожа космическая пыль — на песок или на обычную домашнюю пыль, которую вы убираете пылесосом? Или это что-то совсем другое?

Ключ к разгадке состава космической пыли был найден в 1950-х годах, когда астрономы обнаружили, что свет далеких звезд не только смещен в сторону красного диапазона, но и имеет еще одно свойство — поляризацию {10} .

Электромагнитные волны видимого светового и микроволнового диапазона, как и полагается волнам, колеблются при движении со скоростью света. С этими колебаниями и связана поляризация. Направление колебаний всегда перпендикулярно направлению светового луча (рис. 23). Характер поляризации звездного света может многое рассказать о том, что происходило со светом по пути от звезды к телескопу. Сегодня ученые строят специальные устройства — поляриметры, которые измеряют различия в интенсивности света в плоскости, перпендикулярной направлению движения света. Телескоп BICEP2, по сути, тоже поляриметр.

Не весь свет поляризован. Горячие светящиеся объекты, такие как лампы накаливания или Солнце, излучают преимущественно неполяризованный свет, поскольку электроны внутри этих объектов колеблются в случайных направлениях. Неполяризованный свет, такой как солнечный, может стать поляризованным при отражении от поверхности, скажем, океана. Горизонтальная поверхность океана поглощает световые лучи, которые поляризованы вертикально, т. е. перпендикулярно поверхности. Световые лучи, поляризованные в горизонтальной плоскости, частично отражаются. В результате неполяризованный солнечный свет после отражения становится поляризованным.

Другой способ сделать неполяризованный свет поляризованным — пропустить его через специальный фильтр. Такое устройство называют поляризатором: оно избирательно поглощает один из поляризованных компонентов, а другие беспрепятственно пропускает. Поляризационные солнцезащитные очки делают именно это: они поглощают свет, отражающийся от поверхностей, например от снега или океана, и, устраняя слепящие солнечные блики, позволяют вам видеть гораздо лучше и четче (рис. 24).

Астрономы предполагали, что у красного смещения света звезд и его поляризации может быть один хорошо известный виновник: пыль.

Модель квазистационарной Вселенной Хойла требовала много пыли, причем не только внутри нашей Галактики, но и по всему пространству между всеми галактиками, рожденными в течение 500 млрд лет текущего цикла. И это не могла быть просто пыль. Чтобы преобразовать звездный свет ранней Вселенной в наблюдаемое реликтовое излучение, крупицы пыли должны представлять собой так называемые «волоски» — крошечные цилиндрики длиной меньше миллиметра. И они должны состоять из металла или, по крайней мере, включать металлические вкрапления {11} .