Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Основные данные по реликтовому излучению получают с помощью специализированных космических аппаратов.

Наблюдения также можно проводить в верхней атмосфере, запуская научную аппаратуру на высотных аэростатах. Наконец, есть несколько мест на Земле (Антарктида, сухие высокогорья), где аппаратура может работать и на поверхности. Недостатком этих подходов является то, что не удается наблюдать всю небесную сферу. Тем не менее такие проекты также вносят большой вклад в исследования реликта.

Наблюдения реликтового излучения позволяют определить геометрию Вселенной, которая оказалась плоской (см. раздел 11.4 «Геометрия Вселенной»). Это измерение возможно благодаря так называемому доплеровскому пику в распределении неоднородностей реликта по угловым масштабам. В ранней Вселенной вещество и излучение были достаточно тесно связаны, так что колебания и флуктуации плотности вещества сказывались на поведении излучения. Колебания в веществе распространялись со скоростью звука, которая тогда была очень велика, однако и для них существовал свой горизонт – звуковой. Нам важен размер звукового горизонта в эпоху последнего рассеяния, когда реликтовое излучение отделилось от вещества. В этом излучении отпечатались колебания вещества, и мы можем их наблюдать, изучая распределение температуры реликта по небу. В каких-то местах вещество двигалось к нам, в каких-то от нас, где-то вещества было больше, где-то меньше. Это движение и флуктуации привели к неоднородности в распределении температуры реликтового излучения: где-то она на тысячную долю процента больше, где-то меньше. Самые большие неоднородности (пятна, раскиданные по всему небу) соответствуют угловому масштабу около 0,6°, и связаны они именно с размером звукового горизонта. Во вселенных с разной кривизной мы бы видели разные картины анизотропии реликта. Тщательный анализ показал, что наша Вселенная – плоская, т. е. имеет нулевую (на современном уровне точности измерений) кривизну, и мы видим эти флуктуации температуры без существенных искажений, связанных с кривизной Вселенной.

Наблюдения реликта показали, что геометрия Вселенной близка к плоской.

Некоторые параметры распределения температуры реликта по небесной сфере сильно зависят от полной плотности вещества (темное + барионное), другие – именно от доли барионов. Благодаря работе космических аппаратов WMAP и Planck, а также ряда наземных установок у нас есть возможность определять эти параметры по наблюдениям реликтового микроволнового фона (как правило, важно лишь дополнительно измерить постоянную Хаббла в настоящее время на основе других наблюдательных данных).

Мы наблюдаем реликтовое излучение, прошедшее через всю видимую Вселенную. Соответственно, в характеристиках реликта отпечатались вся история и даже космография. В истории Вселенной был период, когда рекомбинировавшее было вещество снова реионизовалось ультрафиолетовым излучением первых звезд и квазаров. Это произошло на красном смещении около 10, т. е. спустя 400 с лишним миллионов лет после начала расширения, и мы видим это в данных по реликту. Далее реликтовое излучение линзируется на разнообразных структурах по пути к нам, и мы можем изучить статистические свойства этих структур. Наконец, реликтовые фотоны взаимодействуют с горячим газом в скоплениях галактик (эффект Сюняева – Зельдовича), что позволяет определить ряд интересных параметров.

Предсказание темпа изменения температуры реликтового излучения по мере расширения Вселенной (т. е. по мере роста масштабного фактора) является важным элементом космологической модели. Интересно, что оно может быть проверено, поскольку излучение взаимодействует с веществом, и мы можем наблюдать последствия этого.

Есть два основных метода, позволяющих измерить температуру реликтового излучения в разные эпохи: возбуждение атомных и молекулярных уровней и эффект Сюняева – Зельдовича.

Существуют две основные методики, благодаря которым мы можем измерить температуру реликтового фона на разных красных смещениях. Еще в 1940-е гг. было обнаружено, что молекулы CN в нашей Галактике находятся в возбужденном состоянии, как будто их «подсвечивает» излучение с температурой около 3 К. Это было первое свидетельство в пользу существования реликтового излучения, но тогда его «не узнали». Однако позднее, уже после 1965 г., астрономы сообразили, что реликтовое излучение должно возбуждать различные энергетические уровни в атомах и молекулах, и это можно наблюдать, причем не только в нашей непосредственной окрестности, но и на очень больших расстояниях.

В настоящее время, используя данные по наблюдениям излучения разных атомов и молекул (углерод, молекулярный водород, CO и др.), астрономы смогли проследить изменение температуры реликта на протяжении большей части истории Вселенной – начиная с первых миллиардов лет.

Измерения позволяют определить, как менялась температура реликта начиная с первых миллиардов лет.

Второй метод связан с эффектом Сюняева – Зельдовича. Фотоны реликтового излучения рассеиваются на электронах в горячем газе, находящемся в скоплениях галактик, и отбирают энергию у электронов (обратный эффект Комптона). В итоге в направлении на скопление будет наблюдаться небольшой, но вполне измеримый недостаток фотонов реликта с длиной волны более 2 мм и избыток фотонов с более короткими волнами. Поскольку мы можем определить свойства скопления, единственным неизвестным будет начальная температура поля фотонов, т. е. температура реликтового излучения, попадающего в скопления. Анализ позволяет определить ее с достаточной точностью, а сравнение данных измерений с предсказаниями теории показывает, что они находятся в согласии. Температура реликтового излучения растет в прошлое как T ~ (1 + z), и это является еще одним независимым аргументом в пользу современной модели расширяющейся Вселенной.

Со времен Ньютона мы знаем, что если в распределенном по пространству веществе есть отдельные сгущения, то со временем из-за действия гравитации они могут начать расти (т. е. уплотняться, сжиматься). В результате постепенно возникает эволюционирующая структура в распределении вещества. Подобный сценарий реализовался в молодой Вселенной. Начальные флуктуации плотности, если они были достаточно велики, с определенного момента стали увеличиваться. В итоге мы видим галактики, скопления галактик, сверхскопления, волокна и войды – крупномасштабную структуру Вселенной и ее отдельные элементы.