Модели Вселенной

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2019, №12)

Реликтовые фотоны, соотношение содержания водорода и гелия, следы первичных флуктуаций плотности — вот те ископаемые свидетельства, по которым астрофизикам удается реконструировать картину древней Вселенной. Модель горячего Большого взрыва хоть и кажется всем хорошо знакомой и в чем-то очевидной, сложилась совсем недавно, в середине 60-х годов XX века. А ранее господствовали совсем другие представления, с которыми пришлось расстаться под влиянием все новых и новых экспериментальных данных. Вот как об этом рассказано в книге «В поисках Большого взрыва» («Finding the Big bang»), которую подготовили Джеймс Пиблс, Лиман Пейдж-младший из Принстонского университета и Брюс Партридж из Хаверфордского колледжа в 2009 году («Cambridge University Press», New York).

pic_2019_12_08.jpg

В самом начале XX века основой космологии стало уравнение Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которое связало ускорение расширения Вселенной с ее массой. Эдвин Хаббл еще не открыл расширения Вселенной, поэтому у Эйнштейна были все основания считать Вселенную стационарной. Однако из уравнения следовало, что так не бывает: под действием гравитации Вселенная должна была схлопнуться. Чтобы этого не допустить, в 1917 году в уравнение был добавлен лямбда-член, космологическая постоянная, обладающая свойством антигравитации, то есть препятствующая сжатию Вселенной. Физического смысла эта постоянная тогда не имела, была добавлена только из соображений гармонии, да и потом Эйнштейн счел, что она не нужна. Но в конце ХХ века оказалось, что она очень нужна теории, имеет физический смысл темной энергии и даже принесла Нобелевскую премию исследователям, которые обнаружили эту полезность лямбда-члена.

Подкоп под стационарность Вселенной пошел сразу. В 1922 году А.А. Фридман, занимаясь метеорологией в Главной физической обсерватории в Петрограде, обнаружил, что независимо от влияния лямбда-члена Вселенная может и сжиматься, и расширяться. Эйнштейна эта идея возмутила, но вскоре он вынужден был признать правоту советского коллеги. К сожалению, Фридман в 1925 году умер от тифа, которым он заразился, по его словам, съев немытую грушу по пути из Крыма в Ленинград, но идея была использована бельгийским физиком Жоржем Леметром. Он заметил: если Вселенная расширяется, значит, в ее начале лежало некое сверхплотное образование, первичный атом, которое и было разрушено Большим взрывом, а лямбда-член тут ни при чем.

В 1929 году Хаббл открыл красное смещение, то есть выяснил, что Вселенная действительно расширяется со скоростью, определяемой постоянной Хаббла. Это сразу же вызвало множество вопросов. Например, откуда взялось расширение — из-за лямбда-члена или причина иная? Оно — единственное в жизни Вселенной или наш мир совершает колебания? Леметр в 1933 году отметил, что с чисто эстетической точки зрения Вселенная должна бы пульсировать, вновь и вновь возвращаясь в сверхплотное состояние.

Другой великий космолог, голландец Виллем де Ситтер (он придумал модель Вселенной, расширяющейся из-за действия лямбда-члена, и, в сущности, последние несколько миллиардов лет, когда темная энергия поборола гравитацию, это Вселенная де Ситтера), отмечал, что идея пульсаций ему не нравится опять-таки из эстетических соображений. Физические же соображения подсказывают, что из-за неоднородностей разные участки Вселенной будут стягиваться в точку с разными скоростями и какие-то звезды вполне могут пролететь мимо места встречи, породив другие Вселенные.


Первый подход к Большому взрыву

Идея пульсирующей Вселенной не стала основным направлением космологии, хотя от нее полностью не отказались. Ее критикуют; например, академик АН СССР Я.Б. Зельдович отмечал, что в такой Вселенной идет накопление энтропии, с которой непонятно что делать. В современной концепции ее предполагают спрятать в черных дырах, которые, очевидно, будут унаследованы следующей расширяющейся Вселенной. Пульсирующая Вселенная дает интересный ответ на вопрос о происхождении реликтового излучения это свет звезд предыдущей Вселенной, сконцентрировавшийся при сжатии; в него также можно спрятать нарастающую энтропию. Рассуждения именно о судьбах пульсирующей Вселенной поставили Роберта Дикке перед необходимостью поиска реликтового излучения, о чем будет рассказано ниже.

Большой взрыв, впрочем, прекрасно вписывается в пульсирующую Вселенную – достаточно предположить, что в цикле сжатия она снова собирается в исходную точку, в сингулярность, и затем всё идет с самого начала. При этом сложные вопросы вроде – а что делать с энтропией? – можно оставить на потом, а сначала построить более-менее количественную модель образования элементов при расширении Вселенной. Первым с этой задачей справились Георгий Гамов и его ученик Ральф Альфер.

В знаменитой статье 1948 года Альфера, Бете и Гамова (Ханс Бете был добавлен исключительно из соображений эстетики – чтобы фамилии соавторов воспроизводили ряд радиоактивных излучений: альфа-, бета- и гамма-) они показали, что в горячей Вселенной очень мало шансов на формирование тяжелых элементов, а в холодной их и вовсе нет. Причина в том, что в первом случае энергии слишком велики для образования ядер из протонов и нейтронов, а во втором нуклеосинтез идет слишком медленно и все нейтроны успевают претерпеть распад, стать протонами. Из этих рассуждений и родилась Вселенная, которая на раннем этапе заполняется водородом и гелием. Два года спустя Хаяси Тюсиру подсчитал, что в равновесии при той температуре, когда протоны смогли объединятся с нейтронами в ядра дейтерия, один нейтрон приходился на пять протонов. Отсюда нетрудно было получить, что в начальной Вселенной гелия должно было получиться в два раза меньше, чем осталось водорода (если мерить по массе), то есть 66 и 33% соответственно.

Предположение Гамова о преобладании в ранней Вселенной водорода с гелием было очень смелым: вплоть до 50-х годов XX века физики были уверены, что водород составляет хорошо если треть от всего вещества Вселенной, содержание же гелия совсем невелико. Поэтому неудивительно, что работу Гамова вскоре забыли и в 60-х годах космологам пришлось фактически начинать свои расчеты с нуля.

Гамов в том же 1948 году оценил и температуру фотонов, которые дожили до наших дней с момента начала нуклеосинтеза, —у него вышло 5 К. С одной стороны, это не очень точно — в два раза больше, чем на самом деле – современные измерения дают 2,735 К. Но с другой стороны, столь холодное излучение — это хорошо, ведь максимум спектра приходится на микроволновой диапазон, а Вселенная в этом диапазоне прозрачна, ничто не мешает такому излучению распространяться на огромные расстояния. То есть оно не портится за миллиарды лет путешествий и его можно наблюдать.


Стационарная Вселенная против Большого взрыва

pic_2019_12_11.jpgВ 1948 году астрофизик из Кембриджа британец Фред Хойл, анализируя эволюцию звезд, впервые высказал революционное по тем временам предположение, что астрономы заблуждаются: водород в звездах составляет не «от силы треть», а все 99%, а на более тяжелые элементы приходится ничтожная доля вещества. К 1960 году он полностью уверился в этой концепции, тем более что она соответствовала приглянувшейся ему модели стационарной Вселенной, и его кембриджские студенты даже не могли помыслить, что состав нашего мира и история его развития могут быть иными.

Модель стационарной Вселенной была отголоском давних споров еще времен Эйнштейна, но в более-менее законченном виде она появилась как раз в 1948 году. Возможно, это была реакция на попытки Гамова с коллегами построит количественную теорию Большого взрыва. Авторами модели были как сам Хойл, так и его кембриджские коллеги: Герман Бонди и Томас Голд (оба — уроженцы Австрии, причем если Голд бежал в Англию от нацистов, то Бонди ранее аншлюса уехал туда учиться). Согласно их модели, Вселенная существовала всегда, а вещество — водород — в ней рождается постоянно и повсеместно, только скорость этого рождения слишком мала, чтобы процесс можно было зафиксировать в лаборатории. Хойл назвал рождающееся вещество «полем творения» и обозначил его буквой С — от английского «creation».

Из рождающегося вещества формируются облака газа, которые, уплотняясь, создают новые галактики. А прежние за счет расширения Вселенной постоянно удаляются со сцены. При этом сохраняются расстояния между галактиками примерно три мегапарсека, которые отделяют Млечный Путь от соседей; так обеспечивается изотропность Вселенной на больших масштабах: плотность распределения галактик в пространстве не меняется. В такой Вселенной все галактики, в принципе, одинаковы, разве что дальние из них старше, чем ближние, а Солнечная система оказывается одним из самых молодых наблюдаемых объектов Вселенной.

При Большом взрыве картина обратная — чем дальше галактика от нас, тем она моложе: мы видим свет, который она испустила давным-давно, а самый старый космический объект, наблюдаемый человеком, — наша Земля. При этом галактики ранней Вселенной, очевидно, должны резко отличаться от галактик поздней Вселенной. Найдя такую разницу, можно проверить справедливость теории. Однако разглядывать дальние галактики нелегко, еще труднее находить различия между ними и связывать их с возрастом. Поэтому потребовались более яркие и точные экспериментальные свидетельства. Таких свидетельств в середине 60-х годов нашли всего два: соотношение легких элементов и реликтовое излучение. В разных теориях эти свидетельства выглядят по-разному. При горячем Большом взрыве выходит 66% водорода и 33% гелия. В стационарной Вселенной, как видно, водорода должно быть больше, а гелия меньше. Насколько?


Борьба за стационарную Вселенную

Поскольку в стационарной Вселенной элементы нарабатываются в звездах из водорода, не так уж трудно оценить, сколько получается гелия. Свет звезд образуется при горении водорода, светимость Галактики, которая известна, складывается из света звезд. Значит, можно из данных о светимости высчитать интенсивность реакции горения, а ее продуктом как раз и служит гелий. Остается умножить эту интенсивность на время существования Галактики и получить общую выработку искомого элемента. Расчет показал, что гелия получится совсем немного — один атом на каждую сотню атомов водорода, то есть гораздо меньше, чем по расчету Гамова и Хаяси. Однако, может быть, так много и не нужно, может быть, выработанного в звездах гелия хватит, чтобы заполнить Вселенную?

В конце 50-х годов ответа на этот вопрос не было, в частности, потому, что гелий измерять трудно из-за особенностей его спектральных линий — они хорошо заметны лишь в немногочисленных самых горячих звездах. Например, содержание гелия в Солнце измеряли не по спектру свечения, а по составу солнечного ветра, и он давал всего 9 ядер гелия на 100 ядер водорода. Такие измерения прибавляли воодушевления кембриджским сторонникам теории стационарной Вселенной. Вот один из эпизодов их борьбы за торжество своей теории.

Как-то в начале 1964 года Хойл читал свой блестящий курс лекций по космологии и внегалактической астрономии для студентов-старшекурсников. В одной из них он коснулся темы образования легких элементов, прежде всего гелия, в модели горячего Большого взрыва. При этом напомнил основательно забытые к тому времени выкладки Гамова, написал соответствующие уравнения и предложил одному из своих студентов, Джону Фолкнеру, подсчитать более точно соотношение нейтронов и протонов в момент образования ядер, а из этого соотношения и следовало содержание гелия во Вселенной. Фолкнер быстро написал программу, пропустил ее через компьютер (в Кембридже к тому время уже работала машина Edsac II) и к вечеру получил искомое значение: содержание гелия по массе около 25%. Фолкнер написал на распечатке большими буквами «Содержание гелия во Вселенной», победно помахал ею перед другими студентами и отправился к себе домой. На следующий день результаты расчета были доложены Хойлу. Тот им сильно обрадовался и сказал: «Ну всё. Мы расправились с теорией Большого взрыва». А на недоуменный вопрос — как? — пояснил, что недавние измерения показывают: доля гелия во Вселенной никак не больше 10% от числа атомов водорода.

Фолкнер, который слышал другую версию рассказов про эти измерения, в недоумении пошел в библиотеку и откопал свежайший препринт тех самых авторов, на которых ссылался Хойл. В нем было черным по белому написано: измерения показали, что в исследованной нами планетарной туманности K648 соотношение атомов гелия к водороду составляет 18%, то есть концентрация гелия аж 40% по массе! С этим препринтом Фолкнер побоялся идти к учителю, а пошел к его коллеге — Роджеру Тейлеру. Тот пообещал аккуратно сообщить неприятную новость Хойлу. Каково же было удивление Фолкнера, когда в апреле того же года в «Нейчер» вышла статья Хойла и Тейлера, где упоминалось, что Фолкнер точно посчитал, сколько гелия во Вселенной горячего взрыва — более 14 атомов на 100 атомов водорода, — и были приведены данные, что в реальной Вселенной гелия гораздо меньше: в туманности Ориона — 9, в солнечных космических лучах — 9, в Малом Магеллановом облаке — 11, а в пресловутой планетарной туманности K648 — от 9 до 19 атомов гелия на 100 атомов водорода. И лишь в ярчайших бело-голубых звездах это значение поднимается до 16. то есть только в таких звездах выполняется соотношение, требуемое для Большого взрыва.

А далее был предложен выход из создавшейся ситуации. Выход такой. Коль скоро гелия меньше, чем при Большом взрыве, но больше, чем может получиться при горении водорода в обычных звездах, значит, этот гелий получен при горении водорода в огромных звездах — в миллион раз тяжелее, чем Солнце. Там могут развиться температуры в 10 миллиардов градусов — как раз столько, сколько было во Вселенной в момент начала нуклеосинтеза. То есть получались маленькие аналоги горячего Большого взрыва с теми же последствиями для синтеза легких элементов.

А что с микроволновым фоном? Оказывается, если наработка гелия идет в таких звездах, то возникающее излучение, придя к тепловому равновесию, будет иметь температуру 2,75 К! Всего на 0,015 К больше результатов измерения (которые были проведены позже)! Как с грустью отмечает Джордж Барбинт, который в 1958-м, работая в Кембридже с Хойлом, проводил соответствующий расчет, этот результат сочли незначительным и никогда не публиковали. Будь он опубликован, история космологии оказалась бы иной: предвидение теоретиков давало хороший аргумент в поддержку стационарной Вселенной. После открытия реликтового излучения Барбинт с Хойлом решили исправить упущение. Они подготовили соответствующую статью, однако опубликовать ее удалось только в 1998 году, а по свежим следам события, как предполагает Барбинт, статью отвергли рецензенты, защищавшие гипотезу Большого взрыва.

И все же Хойл не отказался от своей модели. Например, в 1996 году он читал лекцию в Кавендишском физическом обществе по случаю своего 80-летнего юбилея (в первый раз он там выступал в 1948 году как раз с теорией стационарной Вселенной) и заметил, что в своей теории постоянного созидания вещества он совершил лишь одну ошибку. А именно обозначил поле созидания буквой С, а не буквой пси. Потому что в современной теории расширяющейся Вселенной присутствует скалярное поле темной энергии, обозначаемое буквой пси, и оно один в один соответствует полю С из теории Хойла или космологической постоянной в теории Эйнштейна — Леметра.

Как знать, может быть, это обстоятельство заставит космологов вспомнить о модели стационарной расширяющейся Вселенной и поискать те самые сверхзвезды, которые вместо Большого взрыва обеспечили производство гелия и микроволнового фона, или хотя бы идентифицировать их останки, то есть найдут в необходимом количестве гигантские черные дыры. Интересно, что знаменитый советский астрофизик В.А. Амбарцумян категорически не принимал идею формирования звезд конденсацией скоплений межзвездного газа, а считал, что звезды, точнее, их ассоциации, рождаются при взрывах огромных сверхзвезд – иначе у него не получалась модель образования таких ассоциаций. Сверхзвезды Амбарцумяна вполне соответствуют гигантским звездам стационарной Вселенной Хойла — Тейлера.


Холодный Большой взрыв

Другой интересной альтернативой нынешней модели Вселенной была модель холодного Большого взрыва, и ее появление также было связано с неопределенностью в измерениях вселенского гелия. Эту модель в конце 50-х годов разрабатывал Я.Б. Зельдович. В 1962 году идея холодного Большого взрыва выглядела так.

Вселенная поначалу заполнена ферми-жидкостью из протонов, электронов и нейтрино (такой жидкостью управляет принцип Паули, запрещающий двум одинаковым частицам занимать один и тот же уровень энергии). Электрон высокой энергии с радостью слился бы с протоном, образовав нейтрон. Но при этом рождается нейтрино, а свободного места для него в жидкости нет, поскольку все энергетические уровни заполнены. Значит, никаких реакций идти не может, нейтронов нет, излучения нет, а температура равна нулю. При начале расширения электроны соединяются с протонами и образуется водород, который, скорее всего, замерзает, а потом трескается. Далее Вселенная заполняется обломками этого водородного льда либо каплями жидкого водорода, а из них потом формируются скопления галактик и всё прочее. Все элементы тяжелее водорода получаются при горении вещества в звездах, гелия образуется немного, микроволнового фона нет.

У Зельдовича основания к созданию такой модели были не менее веские, чем у Хойла: ведь подавляющее большинство астрофизиков тогда считало, что гелия во Вселенной мало, уж гораздо меньше требуемых горячим взрывом трети вещества. Провести горячий Большой взрыв с выходом малого количества гелия оказалось возможным, но для этого требовалась значительно меньшая плотность вещества в момент формирования ядер, чем при расчете Гамова. В результате дейтерий не успевал выгорать, и его в такой Вселенной оказывалось не следы, а очень много — несколько процентов, чего не наблюдается. Кроме того, из-за меньшей плотности вещества реликтовое излучение оказывалось горячее, и современная Вселенная выходила не холодной, 2,735 К, а «теплой» — около 30 К, что также не соответствовало уже имевшимся на то время результатам наблюдений: они давали температуру менее 20 К. Для выхода из этой неприятной ситуации и пришлось придумывать другую версию Большого взрыва.

Вот как об этой проблеме писал Я.Б. Зельдович в своих воспоминаниях: «В самом начале моей астрофизической деятельности меня беспокоили привычки, приобретенные в ходе моей прикладной деятельности (а он внес значительный вклад в создание атомной бомбы. — Примеч. ред.). Астрофизик должен задавать вопросы: как устроена природа? какие наблюдения дают возможность прояснить это? Однако я сформулировал проблему по-другому: как построить Вселенную или пульсар, чтобы удовлетворить условиям технического задания, — простите, я имел в виду прямые наблюдения. Так возникли идея холодной Вселенной и мое представление о пульсаре как о белом карлике в состоянии сильных радиальных колебаний. В качестве оправдания этих идей я могу только сказать, что никогда не настаивал на своих ошибках».

До тех пор пока не было точных измерений содержания гелия и микроволнового фона, физикам приходилось опираться на теоретические исследования. В частности, молодые аспиранты в группе Зельдовича рассчитывали значения для разных моделей Вселенной. Так, Ю.Н. Смирнов (он известен как участник разработки термоядерной бомбы и автор книг по истории советского атомного проекта) в 1964 году вычислил содержание гелия при разных сценариях Большого взрыва. Именно из его расчета следовало, что во Вселенной будет либо много гелия, либо много дейтерия. Этот расчет придавал Зельдовичу уверенности в справедливости холодной модели. Работу Смирнова не заметили: в следующем году был открыт микроволновой фон, и дискуссия прекратилась ввиду исчезновения ее предмета, а Зельдович счел модель холодного Большого взрыва опровергнутой.

С работой И.Д. Новикова и А.Г. Дорошкевича (оба стали известными астрофизиками, соответственно членом-корреспондентом РАН и доктором физико-математических наук) вышла более занятная история. В 1964 году они рассчитали современный спектр реликта, оставшегося от Большого взрыва, и обнаружили, что этот спектр действительно, как и предполагал Гамов, расположился в области сантиметровых и миллиметровых волн, для которых Вселенная прозрачна. В этой области нет никаких ярких излучателей, реликтовое излучение в миллионы раз интенсивнее всех других источников, стало быть, спутать его никак невозможно. А энергия этого излучения оказалась совсем не ничтожной — она была сравнима с энергией звездного света. Стало быть, его можно и нужно наблюдать!

Именно такой вывод авторы сделали в своей статье, надеясь спровоцировать экспериментаторов на проведение наблюдений. К сожалению, экспериментаторы работу не заметили, а спустя год американцы Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли микроволновой фон, причем, сделали это совершенно случайно, даже не зная о его существовании. Новиков вспоминал, как Пензиас не раз сожалел, что не видел его статью, — ведь лишь случайное стечение обстоятельств заставило обратить внимание на досадный фон, который мешал калибровке радиотелескопа. А прочитай он статью, природа этого досадного фона стала бы понятна, как и вся значимость наблюдения.

Зельдович, узнав об открытии микроволнового фона в 1965 году, сразу сделал выговор ученикам, упрекая: почему не поместили в статье изображение предполагаемого спектра? Когда ему показали, что спектр опубликован, он посетовал на малые усилия, предпринятые для пропаганды этой статьи. Сам же Зельдович отмечал, что «исходя из общих физических соображений у меня были все основания выдвинуть гипотезу о “холодной” Вселенной. Но если Вселенная горячая, в ней будет реликтовое космическое микроволновое фоновое излучение! И я должен был объяснить экспериментаторам, что они должны наблюдать и как».


Самый главный взрыв

pic_2019_12_12.jpgА что в это время делал будущий нобелевский лауреат 2019 года Джеймс Пиблс? Обратимся к его воспоминаниям из упомянутой в начале статьи книги.

В 1958 году, окончив университет Манитобы, он оказался в Принстоне, в группе Роберта Дикке, и стал его аспирантом. Еще при подготовке к диплому Пиблс познакомился с моделью горячей расширяющейся Вселенной и подумал: «Неужели это можно рассматривать всерьез как модель реального мира, ведь такой подход очень похож на задачу о сферическом коне в вакууме». Однако, прочитав «Космологию» Бонди, он был в неменьшей степени шокирован и фантазиями авторов идеи стационарной Вселенной. Впрочем, Дикке быстро объяснил молодому аспиранту, что космология — это все-таки не сборник фантазий, а вполне физическая наука, основанная на наблюдениях астрономов. Это внушение пошло на пользу — в 1971 году Пиблс опубликовал свою собственную книгу «Физическая космология».

Дикке любил идею пульсирующей расширяющейся Вселенной, и его интересовало многое: что же было до начала расширения, как излучение накапливается при сжатии Вселенной, как оно разрушает ядра и нельзя ли как-то поглядеть на этот процесс. А в горячих дискуссиях о стационарной Вселенной он не участвовал — эта тема его просто не интересовала. На одном из семинаров Дикке предложил задуматься над такой моделью. Представим себе ящик с отражающими стенками. В нем заключено излучение, причем его температура соответствует температуре того излучения, что снаружи. Стенки ящика раздвигаются по мере расширения Вселенной. Что будет с заключенным в нем излучением? Оно сохранит равновесный тепловой спектр, но его температура будет падать. А можно ли этот спектр измерить? После семинара последовало предложение найти такое излучение во Вселенной, для чего нужно усовершенствовать прибор — радиометр Дикке; для этого были приглашены Питер Ролл и Дэвид Уилкинсон (он впоследствии возглавит проект по созданию спутника WMAP для изучения анизотропии реликтового фона). На семинаре Дикке и сказал Пиблсу: мол, тебе было бы неплохо посчитать, что мы увидим в результате эксперимента, — чем и предопределил дальнейшую карьеру ученого.

Пиблс начал свои расчеты с того же, с чего и его коллеги в Великобритании и СССР, — посчитал, сколько выйдет гелия и водорода при остывании Вселенной. К 1964 году он рассмотрел несколько вариантов. Был там и горячий взрыв с большим выходом гелия, была и холодная Вселенная, где большое число нейтрино препятствовало созданию нейтронов. Рассуждая с Дикке о судьбах мира, они предположили и совсем уж экзотический вариант — а что, если общая теория относительности неверна, что, если в ранней Вселенной гравитация была гораздо сильнее, чем в настоящее время? Соответственно, для разных Вселенных были получены и спектры реликтового излучения. Но когда Пиблс попытался опубликовать статью, это ему не удалось: рецензент отметил, что тема гелия уже не раз освещена в более ранних публикациях.

Как же вышло, что американские космологи не знали не только о давних работах Гамова, но даже о свежих идеях Зельдовича, расчетах Смирнова, Новикова и Дорошкевича, Хойла и Тейлера? Дикке взял на себя ответственность за этот промах: «Да, был неприятный момент в наших исследованиях излучения Большого взрыва. Мы не провели адекватного литературного поиска и упустили важные статьи <…>. Это была моя вина — другие члены группы были молоды и неопытны. А я ведь слышал лекции Гамова в Принстоне, но мне почему-то запомнилось, что его Вселенная холодна и в ней преобладают нейтроны».

Однако Пиблс вполне успешно выступал на коллоквиумах, рассказывая о своих расчетах, и перед одним из них спросил у Уилкинсона: «Можно ли рассказать о работе по созданию радиометра для изучения реликтового излучения?» — «Конечно, — ответил тот, — ведь никто не может соперничать с нами, мы первыми взялись за решение этой задачи». Пиблс рассказал коллегам о разрабатываемом проекте, что имело значительные последствия та Нобелевская премия, которая по всем правилам должна была оказаться в руках Дикке как инициатора фиксации реликтового излучения, попала совсем в другие руки. Вот как об этом вспоминает Арно Пензиас, которому вместе с Робертом Уилсоном, коллегой из «Белл лабораториз» — эта премия в конце-концов досталась.

«К середине 1964 года мы, настраивая антенну радиотелескопа, обнаружили некий постоянный микроволновой шум на уровне 3 К. Это не был внутренний шум антенны, а нечто идущее снаружи. Что это: шум атмосферы, шум астрономических источников? Понимания не было, и мы решили отложить публикацию, поскольку в то время литература по радиоастрономии и так изобиловала сообщениями о загадочных сигналах. Но вот в конце 1964 года я встретил в Монреале на съезде Американского астрономического общества Берни Барка и поделился с ним нашей проблемой. Спустя недели две он мне позвонил и сообщил, что ему сказали, будто есть какой-то тип из Принстона, который проталкивает теорию, где есть излучение в микроволновой области с температурой ниже 10 К, а потом и прислал препринт соответствующей статьи».

Пензиасу хватило первого абзаца, где речь шла об излучении, которое нужно измерить для проверки модели пульсирующей Вселенной, столь занимавшей Дикке. Пензиас сразу позвонил в Принстон. А у Дикке как раз проходило совещание с Пиблсом, Уилкинсоном и Роллом о работе с радиометром. К удивлению Пензиаса, Дикке не пообещал перезвонить позже, а сразу стал расспрашивать о деталях открытия и предстоящей работе. Вскоре Дикке с коллегами были в лаборатории Пензиаса и осматривали его аппаратуру. Во время последующего обсуждения выяснилось, что исследователи дополняют друг друга: в группе Дикке хорошо понимают космологию, но успехи в создании приборов для наблюдения радиоволн несколько скромнее, чем у Пензиаса и Уилсона. Пензиас было предложил Дикке совместную публикацию, но тот категорически отказался. А все сообщество космологов впоследствии сожалело, что Нобелевский комитет не включил Дикке в состав лауреатов.

Интересно, что у него была еще одна возможность открыть реликтовое излучение. Дело в том, что в межзвездных облаках водорода есть достаточно много цианид-ионов CN-, чтобы их можно было наблюдать. И у этого иона, единственного из межзвездных веществ, имеется возможность возбуждаться именно микроволновым излучением с температурой около 3 К. Иными словами, измеряя возбуждения этого иона, можно измерять интенсивность реликтового излучения в различных областях Вселенной, сделать своеобразный термометр для нее, чем теперь пользуются астрофизики, ведь, кроме реликтового, никакого иного излучения с такой температурой во Вселенной нет.

Однажды в начале 1964 года Дикке спросил у своего аспиранта Невилла Вульфа, не знает ли он способ измерить интенсивность реликтового фона. «Так есть же ваши собственные измерения 1946 года (Дикке тогда с помощью своего радиометра установил, что уровень микроволновых шумов не более 20 К. Примеч. Ред.), — ответил тот и добавил в ответ на молчание шефа: — Ну, в конце концов, есть же молекулы межзвездного газа…» Поскольку молчание затягивалось, аспирант смутился и пробормотал: «Похоже, я сказал какую-то глупость». Потом он себя корил: если бы не его смущение, если бы разговор об измерениях возбуждений межзвездного цианид-иона продолжился, Дикке оценил бы этот способ и обнаружил реликтовый фон первым. Интересно, что примерно в это же время в Москве И.С. Шкловский отрабатывал такую же идею.


Инструмент понимания Вселенной

Открытие реликтового излучения вызвало у космологов во всем мире прилив энтузиазма, ведь оно сохранило в себе отпечаток всех значимых событий, происходивших во Вселенной с момента начала нуклеосинтеза. В частности, формирование ее крупномасштабных структур. Еще Гамов в 1948 году указывал: температура вещества и его плотность определяют размер облаков, в которых гравитация способна преодолеть силы расширения и создать компактные объекты. Пиблс к 1967 году провел тщательный обсчет этой идеи. Согласно ему, до тех пор пока возникшие при Большом взрыве ядра водорода и гелия не слились с электронами, сформировав электрически нейтральные атомы, излучение не давало возникать таким облакам, и никакая гравитация не могла с этим бороться. Однако с обретением веществом электрической нейтральности эта возможность появилась, и во Вселенной закономерно возникли неоднородности, из которых гравитация создала скопления галактик и все структуры меньшего масштаба. Размер этих неоднородностей оказалось возможным рассчитать, причем одновременно с Пиблсом этим в Москве занимались Р.А. Сюняев (в 1992 году избран в академики РАН) и Я.Б. Зельдович.

В своих воспоминаниях Сюняев приводит следующий интересный факт, связанный с этими расчетами. Во время их проведения он обнаружил квазипериодические флуктуации угловой амплитуды реликтового излучения. Зельдович, пробежав по диагонали подготовленную статью, вычеркнул упоминание про то, что эти флуктуации весьма важны, посчитав их, напротив, слишком ничтожными, не доступными для изучения. Однако, чтобы не расстраивать аспиранта, сказал — все-таки тут интересная физика, надо бы статью опубликовать. И неожиданно предложил назвать эти флуктуации сахаровскими осцилляциями, потому что А.Д. Сахаров в этот период каждый день менял свое мнение по различным вопросам. Сюняев было сказал, что ни в одной сахаровской работе он не встречался с такой идеей. На что шеф ему ответил «но ведь в статье Сахарова о холодной Вселенной каждый второй абзац начинается с фразы — как мне сказал Зельдович». Так в словарь науки вошли сахаровские осцилляции, ныне считающиеся универсальной линейкой для структур Вселенной.

Реликтовый фон, точнее, его искажения, несет еще много интересной информации как о событиях, происходивших и происходящих во Вселенной, так и об ее устройстве, однако для того, чтобы такую информацию выявить, нужны очень точные измерения. Если наличие реликтового фона удалось зафиксировать относительно дешевыми универсальными приборами, то точные измерения потребовали создания специальных приборов, и история затянулась на два c лишним десятка лет. Вершиной же мастерства инженеров стали спутниковые детекторы — COBE (запущен в 1989 году), WMAP (запущен в 2001-м) и обсерватория «Планк» (запущена в 2009-м). COBE уже принес своим создателям Нобелевские премии, и, несомненно, собранные этими и будущими обсерваториями данные доставят нам еще немало удивительных подробностей о мире, в котором мы живем.

123

Разные разности

20.11.2022 17:30:00

Исследователи из Университета Тренто в Италии проанализировали, как хранение в прозрачных бутылках влияет на концентрацию летучих веществ, из которых складывается аромат белого вина.

>>
14.11.2022 15:30:00

…порошок безопасного трехкомпонентного сплава Nd2Fe14B при внесении в горелку дает фонтан длинных искр, каждая из которых со временем становится ярче и порождает пучки новых искр…

…приматологи получили первые свидетельства длительных социальных отношений между шимпанзе и гориллами в дикой природе

…низкие концентрации хлорида цетилпиридиния, входящего в состав некоторых ополаскивателей для рта, уничтожают вирус SARS-CoV-2, разрушая его липидную мембрану


>>
10.11.2022 14:00:00

Можно ли что-то противопоставить засухе и защитить посевы? Неожиданное решение придумали ученые из Института физико-химических исследований в Японии. Они предлагают добавлять в почву этиловый спирт.

>>
08.11.2022 15:30:00

Менделеев считал, что углеводороды образуются в мантии Земли из неорганического углерода и водорода на сверхбольших глубинах. С начала ХХI века в разных лабораториях мира физики проводят эксперименты, подтверждающие эту идею.

>>
02.11.2022 12:00:00

Однажды на мероприятии в Белом доме директор компании Goya Foods хвалебно отозвался о президенте Дональде Трампе, после чего в соцсетях сразу появились призывы объявить этой фирме бойкот. Эту историю, которая описывается научным понятием «политический консьюмеризм», исследовали ученые из Школы прикладной экономики и менеджмента Корнеллского университета.

>>