Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Утверждение, согласно которому у Вселенной было начало, на самом деле звучит невероятно странно и необъяснимо. Впрочем, это не мешало людям придумывать истории о происхождении космоса, ставшие неотъемлемой частью их культурной идентичности. И более того, в разных культурах, возникших задолго до появления письменности, очень много преданий о возникновении мира. Пожалуй, из существ, живущих на Земле, только нам, людям, нужно объяснить наше собственное существование в свете происхождения и эволюции большой Вселенной.

Я помню времена, когда астрономы все еще не могли с уверенностью сказать, действительно ли у Вселенной было начало. В 1960-х годах за первенство соперничали две космологические теории. Одна из них называлась теорией стационарной Вселенной. В 1940-х и 1950-х годах ее отстаивали сэр Фред Хойл и его коллеги. Эта теория признавала расширение космоса, открытое Эдвином Хабблом в 1929 году, но допускала появление новой материи для заполнения пустот (войдов) и гласила, что Вселенная остается по существу неизменной во всем пространстве-времени. Так ученым удавалось придерживаться популярного представления об однородности — так называемого идеального космологического принципа. Никакое место или время не играло особой роли, в том числе и наше время на Земле.

Другая теория, которую в 1940-х и 1950-х годах впервые изложил в общедоступной форме Георгий Гамов, постулировала противоположную картину. Согласно ей, наша Вселенная расширялась, истончалась и охлаждалась после эпохи невероятно высокой плотности и температуры, завершившейся несколько миллиардов лет назад. Эта теория Большого взрыва также учитывала скорость расширения, количественно определяемую постоянной Хаббла (H_o), но переворачивала ее, тем самым возвращая расширение к его горячему началу. Минувшее с того момента хаббловское время (Т = 1/H_o), рассчитанное в соответствии с наилучшими оценками постоянной Хаббла, доступными на тот момент, варьировалось от 10 до 20 млрд лет. С более короткими временными рамками были свои сложности, поскольку возраст некоторых шаровых звездных скоплений, по всей видимости, превышал этот жесткий предел. Как звездное скопление могло быть старше Вселенной, которая его породила? Обе теории привлекали сторонников вплоть до 1964 года, когда был открыт космический микроволновый фон, также называемый реликтовым излучением.

Это стало неопровержимым свидетельством, подтвердившим, что ранняя Вселенная радикально отличалась от той, которую мы видим сегодня. Еще в 1940-х годах физики предсказали, что это остаточное излучение должно было сохраниться от горячего зарождения Вселенной. Они также признавали, что в результате расширения Вселенной длины волн излучения должны были бы растянуться — иными словами, тому, что начиналось как оранжевое свечение ионизированной плазмы при температуре в несколько тысяч градусов, со временем предстояло превратиться в слабое микроволновое «шипение» при очень низкой температуре, всего на несколько градусов превышающей величину абсолютного нуля. Именно его обнаружили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работая с 15-метровой рупорной антенной в городке Холмдейл, штат Нью-Джерси, на вершине холма Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Вильсон, ученые из лаборатории Белла, тестировали антенну для нужд спутниковой связи и немного занимались радиоастрономией. Сначала они подумали, что сигнал — это шум, исходящий от какой-то части устройства, и только устранив все возможные источники шума, в том числе и птичий помет внутри антенны, они пришли к выводу, что сигнал исходил из космоса. Это «фоновое» излучение, охватывающее все небо, с тех пор было признано остаточным свечением от Большого взрыва — так свершилось удивительное открытие, которое принесло Пензиасу и Вильсону Нобелевскую премию по физике 1978 года.

С момента открытия космический микроволновый фон измеряли и описывали все точнее. Его спектр соответствует спектру идеального теплового излучателя (черного тела) при эквивалентной температуре 2,725 К (рис. 9.1). Астрофизики считают, что это излучение наиболее соответствует Вселенной, которая с тех пор, за 13,8 млрд лет, расширилась в 1100 раз. То, что находят наши детекторы — это излучение вещества, которое лишь недавно остыло из состояния ионизированной плазмы и перешло в нейтральное атомное состояние. В ту критически важную эпоху рекомбинации, наступившую всего через 380 000 лет после Большого взрыва, Вселенная стала прозрачной для собственного излучения, и фотоны получили возможность свободно преодолевать пространство, благодаря чему наши приборы теперь могут их обнаруживать. Наиболее точная оценка постоянной Хаббла (72 [км/с]/Мпк), соответствующее хаббловское время (13,6 млрд лет) и соответственно более юный возраст старейших шаровых скоплений (12,7 млрд лет) прекрасно согласуются с возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет, рассчитанным на основе космического микроволнового фона, — и это убеждает астрофизиков в том, что они на правильном пути.