Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Рис. 9.1. Спектр космического микроволнового фона, измеренный обсерваторией COBE в начале 1990-х годов. Он идентичен спектру абсолютно черного тела при температуре 2,725 К. (Материалы любезно предоставлены C. Bennett, DMR, COBE, GSFC, NASA.)

Чтобы получить истинную картину космического микроволнового фона, астрофизики тщательно вычли другие микроволновые «наложения», исходящие из Млечного Пути и из множества других галактик. Кроме того, им пришлось вводить поправки на доплеровское смещение излучения черного тела по всей небесной сфере, вызванное, во-первых, движением Солнечной системы вокруг Млечного Пути, а во-вторых, движением нашей Галактики относительно космической системы отсчета. Оказалось, что оставшийся космический микроволновый фон необычайно однороден — степень его флуктуации составляет примерно 1 часть на 100 000. Такие показатели однородности характерны для только что уложенного ледового катка. Большинство флуктуаций происходит в угловом размере, составляющем около 1° на небесной сфере (рис. 9.2).

Рис. 9.2.Вверху: карта космического микроволнового фона на всей небесной сфере, полученная с помощью космического аппарата NASA WMAP, после удаления всех «наложений» от Млечного Пути и других галактик. Внизу: слева крупным планом — снимок, сделанный WMAP; справа — карта того же региона, сделанная более поздним спутником «Планк». На обеих картах видна похожая рябь с угловым размером в 1° — в соответствии с отпечатком акустических волн, проходящих через ионизированную плазму как раз в тот момент, когда расширяющийся космос остывал до нейтрального атомного состояния. Участки повышенной плотности в плазме проявляются в виде сравнительно более темных областей. (Материалы любезно предоставлены: ESA; Planck Collaboration; Научная группа NASA/WMAP.)

Этот характерный угловой размер, а также другие, не столь заметные пики в распределении расстояний говорят астрофизикам о том, что Вселенная исключительно «плоская». Это означает, что два лазерных луча, выпущенных в небо параллельно друг другу, никогда не сойдутся и не разойдутся. Если бы угловые расстояния в космическом микроволновом фоне оказались больше, лучи бы сошлись, подобно меридианам на глобусе, а если меньше — то разошлись бы, как линии на седловой поверхности, расширяющейся книзу (рис. 9.3). Этот почти идеально плоский характер пространства, в свою очередь, указывает на то, что в нашей Вселенной доминирует некий вид темной энергии. В ином случае предполагаемого количества обычной материи, обладающей тяготением, и темной материи не хватило бы на то, чтобы сделать Вселенную плоской. Возможно, интереснее всего то, что распределение угловых расстояний свидетельствует о первозданных условиях, когда Вселенная только возникла из квантового вакуума. Даже тогда космос должен был быть исключительно плоским, одинаковым во всех направлениях (изотропным) и невероятно однородным. И эти ограничения представляют серьезные проблемы для любого космолога, который пытается выяснить, как все началось.

Рис. 9.3. Двумерные аналогии кривизны космоса и их влияние на траектории световых лучей. Вверху: на сферической, или «замкнутой», поверхности две изначально параллельные линии сойдутся в одной точке. С изначально параллельными лазерными лучами произошло бы то же самое. В середине: на плоской поверхности параллельные линии и лазерные лучи останутся параллельными бесконечно. Внизу: на расширяющейся книзу, или «открытой», поверхности и линии, и лазерные лучи, изначально параллельные, будут расходиться. (По источнику: Discovering the Universe, N. F. Comins and W. J. Kaufman III, 4th edition, W. H. Freeman [1997].)

Ключевые эпохи

Если принять во внимание расширение Вселенной и перевести стрелки часов назад, к самым ранним временам, мы можем вообразить себе космос, который был намного плотнее и горячее; Георгий Гамов в 1952 году называл его первичным огненным шаром. Физики поступили именно так — и обнаружили переломные эпохи в раскрывающейся перед нами Вселенной пространства, времени, материи, излучения и других, все еще загадочных форм материи-энергии (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Схематическая временная шкала ранней Вселенной. Показаны ключевые эпохи в расширяющейся и охлаждающейся метасистеме материи- энергии. (По источнику: A. Guth, “Infl ation and the New Era of High-precision Cosmology”, MIT Physics Annual [2002].)

Планковская эпоха

Время ≈ 10^–43 с, температура ≈ 10³² К