Рубежи науки

Проф. Б.И.ЛУЧКОВ,
МИФИ, г. Москва

Юность Вселенной

Есть много в этом мире, друг Горацио,
Что  и  не  снилось  нашим  мудрецам.
В. Шекспир. Гамлет

Небывалый взлет переживает космология – наука о мире в целом: как он возник, какая судьба ожидает его в будущем. Невероятны успехи космологии и в более глубоком понимании путей развития Вселенной, от мельчайших долей секунды до «нашего времени», исчисляемого миллиардами лет, и в прецизионных измерениях, приносящих удивительные плоды. На наших глазах происходит переход от иллюзорного мира, удовлетворяющего многим космологическим моделям, к единственно возможному, описываемому одной стандартной моделью. По мельчайшим отпечаткам, оставленным прошедшими эпохами, мы узнаем, какой была Вселенная в юные годы, какие бури она пережила.

Нестационарная космология

К нашей великой гордости, у истоков современной космологии стояли российские ученые Александр Фридман и Георгий Гамов. Фридман первый вступил на этот путь, получив нестационарные решения уравнения «состояния мира» в общей теории относительности Эйнштейна, согласно которым Вселенная в определенный момент «вышла из небытия» и находится сейчас в стадии расширения. Спустя несколько лет американский астроном Э.Хаббл открыл закон разлета галактик, доказавший расширение Вселенной. Даже А.Эйнштейн, горячий сторонник «неизменного во времени мира», должен был признать свою неправоту.

Были найдены три варианта решений, отличавшиеся силой первичного «толчка», создавшего Вселенную: открытая, плоская и замкнутая модели. В открытой модели энергия «толчка» превышает энергию тяготения вещества, в результате чего Вселенная безгранично расширяется. Плоская модель отвечает тому редкому случаю, когда энергии «толчка» и тяготения в точности равны, – Вселенная расширяется так, что в пределе (на бесконечном радиусе) скорость стремится к нулю. Совсем другая судьба ожидает ее в замкнутой модели, где энергия разлета оказывается меньше энергии тяготения. Расширение Вселенной продолжится до определенного радиуса, на котором оно остановится, после чего начнется сжатие и возвращение в исходное сверхплотное состояние.

Все последующие годы было неясно, какая из моделей реализуется на самом деле. Более того, число возможных моделей стало расти за счет дополнительных предположений о влиянии пространства (физического вакуума) на помещенные в него тела. Как ни искали, не было найдено надежного экспериментального теста, который помог бы выбрать правильную модель.

Одессит Г.Гамов с избытком добавил в этот запутанный клубок огня и юмора. В статье в «Physical Review», датированной 1 апреля 1948 г., он утвердил за первичным веществом не только право быть сверхплотным, но и нагретым до сверхвысокой температуры. С природным юмором окрестил он рождение мира Большим хлопком (Big Bang), что, впрочем, люди серьезные перевели как Большой взрыв (Вселенная все-таки, а не бойкий Привоз в Одессе). Гамову не поверили, но в 1965 г. два американских инженера телефонной компании «Bell», А.Пензиас и Р.Вильсон, настраивая радиоантенну в Холмделе (Нью-Джерси) для дальнейшего измерения радиоизлучения нашей Галактики, неожиданно открыли космический микроволновый фон – реальный остаток Большого взрыва или, как стали называть с легкой руки И.Шкловского (в душе, конечно, тоже одессита), тепловое реликтовое излучение. Модель горячей Вселенной стала признанным лидером космологии. Однако число возможных вариантов оставалось прежним.

Именно существованию реликтового излучения космология обязана тем стремительным взлетом, который она испытала в последующие годы.

Микроволновый фон Вселенной

После открытия Пензиаса и Вильсона последовали десятки экспериментов по наблюдению реликтового излучения в области радиоволн. Его спектр оказался строго «чернотельным», как и положено тепловому излучению, с температурой Т₀ = 2,73 К. Иногда для краткости его называют просто реликтом.

Известны многие свойства реликта: плотность энергии, концентрация фотонов, их средняя энергия, соотношение плотностей энергии излучения и вещества. Средняя энергия реликтовых фотонов 6 • 10^–4 эВ. Эта малая величина отражает тот большой путь, который прошла Вселенная, нагретая в момент «творения» до бесконечно высокой температуры, в которой излучение остывало по мере расширения. Сегодняшний «реликт» – слабое эхо огненного Большого взрыва. Но к нему, докатившемуся издалека, стоит прислушаться. Оно несет в себе отзвуки молодой Вселенной. Взаимодействуя с веществом в далекую эпоху, когда оно было горячим, а материальный мир состоял из водородно-гелиевой плазмы, реликтовое излучение должно было сохранить отпечатки пространственных неоднородностей вещества. Вещество и излучение в плазме тесно связаны друг с другом. Там, где плотность вещества больше, выше температура излучения, а где вещество разрежено, ниже и его температура. Вариации плотности вещества, запечатленные в изменениях температуры реликта, очень важны. Их амплитуды и пространственные размеры могут указать на то, как возникли и росли неоднородности вещества, ставшие к нашему времени наблюдаемыми конденсациями – звездами, галактиками, скоплениями галактик.

Долгое время измерения температурных вариаций реликта не давали конечного результата. Мешали всевозможные шумы: атмосферы, если наблюдения велись наземными телескопами, космических радиоисточников, когда они проводились со спутников, окружающих предметов, и даже самих измеряющих приборов. Лишь дважды за 30 лет удалось пробиться сквозь «шумовой туман» и получить конечные результаты.

Первый успех выпал на долю американской команды NASA, проводившей в 70-х гг. измерения на высотном самолете «Локхид У-2» (более известном у нас как «самолет-шпион»). На высоте, где летал У-2, толщина атмосферы меньше почти в 100 раз, и атмосферный шум сильно ослаблен. От другой помехи – радиошума Галактики – исследователи «ушли», используя высокую частоту принимаемого сигнала. За несколько лет измерения «покрыли» всю небесную сферу. Была измерена самая главная неоднородность реликта – дипольный компонент, обусловленный собственным движением наблюдателя относительно поля реликтовых фотонов. Это хорошо известный «эффект гудка движущегося поезда»: там, где фотоны летят навстречу нашему движению, их энергия (а следовательно, и температура) возрастает, там, где они догоняют нас, температура соответственно меньше. Из полученной разности DТ=Т_max–Т_min=Т₀(v/c)=3,5мК была определена скорость Земли v относительно координатной системы «реликта» (с – скорость света). Оказывается, Земля несется в космическом пространстве (вместе с Солнцем и Галактикой) со скоростью v = 370 км/c, что, для сравнения, в 10 раз превышает скорость ее вращения вокруг Солнца. Когда ошибки измерений стали меньше, околосолнечное вращение Земли проявилось как модуляция вектора v с периодом, в точности равным одному году. Реликт подтвердил правоту Коперника!

Но для поиска других, более высоких, мультиполей найденный диполь очень мешал. Его надо было исключать из получаемых результатов.

Прошли еще годы, заполненные упорными поисками и совершенством аппаратуры, прежде чем произошел второй «прорыв к свету». Его совершила команда спутникового эксперимента COBE (Cosmic Background Explorer), возглавляемая профессором Принстонского университета Д.Уилкинсоном.

Брюссельские кружева реликта

Эксперимент СОВЕ, как и проведенный несколькими годами ранее российский «Реликт», использовал метод измерения разности температур сравниваемых участков неба. Два одинаковых телескопа одновременно ведут наблюдения двух участков неба. Их сигналы поступают в микроволновый дифференциальный радиометр, который сравнивает их и выдает разность температур. При сканировании неба получается карта относительных температур регистрируемого излучения. За период 1990–1994 гг. СОВЕ четыре раза просмотрел всю небесную сферу и построил карты-мозаики на трех частотах (31, 53 и 90 ГГц). Минимальная ячейка мозаики, равная угловому раствору телескопов, составляла 6°. Карты содержат полную информацию о температурных вариациях реликта, но для их извлечения нужно вычесть дипольный компонент (не имеющий отношения к вариациям плотности) и аккуратно учесть все посторонние шумы. Анализ карт показал, что реликтовое излучение покрывает небо не равномерно, а похоже на кружева с замысловатым рисунком. Это и есть сумма искомых компонентов реликта. Были выделены квадрупольный, октупольный и другие гармоники (вплоть до l=15, где l – номер мультиполя) с амплитудами DТ»20–40 мкК. По величине высокие гармоники в 100 раз меньше диполя. Неудивительно, что их так долго не могли найти. Потребовалось сильно увеличить чувствительность аппаратуры, чтобы заметить столь тонкую кружевную сеть.

Теперь можно было приступить к расшифровке реликтового эха. О чем поведают обнаруженные вариации излучения Вселенной?

Спектр температурных вариаций

СОВЕ стал первым разведчиком, обнаружившим температурные вариации реликта. Недостаток эксперимента – малое число найденных гармоник, что обусловлено большим углом раствора телескопов. Была получена картина «в крупную мозаику», как взгляд на небо несфокусированного прибора. Но и это размытое изображение явилось крупным успехом!

Как только «цель» была обозначена, следующие «охотники» за реликтом – аэростатные эксперименты BOOMERANG, MAXIMA и ряд других, за сравнительно короткое время восполнили недостаток, найдя большое число мелких «кружев» (l>15). Конечно, точность этих измерений была намного хуже (аэростатные полеты ограничены по времени и набираемому массиву данных), зато они позволили достроить спектр температурных вариаций «реликта», показанный на рис. 1.

Рис. 1. Спектр температурных вариаций реликтового излучения по данным СОВЕ и аэростатных экспериментов

Он стал ценным подарком для космологов, которые наконец-то смогли увидеть возмущения плотности в ранней Вселенной. Статистические ошибки измеренных гармоник велики (особенно при l>100). И все же общая форма спектра видна – рост амплитуды вариаций с увеличением l и максимум в районе l»200.

Можно было провести первое сравнение измеренного спектра с теоретическими предсказаниями, сделанными в рамках инфляционной модели и модели топологических дефектов. Инфляционная модель предполагает очень быстрое расширение Вселенной в интервале 10^–35–10^–32 с после Большого взрыва, в результате чего в веществе возникали ударные волны, создавшие ряд «акустических пиков» на расчетном спектре. Модель топологических дефектов исходит из идеи, что в момент рождения во Вселенной могли возникать отклонения от равномерного пространства-времени в виде точечных, линейных и объемных дефектов, которые и создавали первичные вариации плотности.

Несмотря на большие неточности, измеренный спектр определенно «выбирает» инфляционную модель (некоторое влияние топологических дефектов, впрочем, не исключается). Феноменальный результат! Эксперименты наглядно подтвердили существование кратчайшей эры «раздувания», за которую Вселенная из микроскопического пузырька выросла до астрономических размеров. Кто бы мог подумать еще несколько лет назад, что такое свидетельство будет получено! Максимум на измеренном спектре и есть первый выделенный «акустический пик», предсказанный теорией.

Анализ показал также, что вещество юной Вселенной было разительно непохоже на то, что мы сейчас видим вокруг. Оно в основном состояло из материи, которая проявляла себя только через гравитацию, практически не взаимодействуя с излучением. Такое вещество получило название темной материи (подробнее см. «Физику» № 2/2003).

Космологические бури

Акустические пики на расчетном спектре температурных вариаций реликта – это отголоски бушевавших в веществе новорожденной Вселенной бурь. Они заслуживают особого внимания, т.к. могут стать ненайденным ранее экспериментальным тестом для выбора правильной модели Вселенной. Данные СОВЕ и аэростатных наблюдений выделили только первый, самый большой акустический пик, указав приблизительно, к какой l-й гармонике он относится. Это самая большая буря, встряхнувшая мир и создавшая первые возмущения плотности вещества. На расчетной кривой есть еще пики, но их амплитуды заметно меньше. Чтобы «увидеть» их в эксперименте, нужно улучшить чувствительность и разрешающую способность аппаратуры. Началась «погоня за пиками».

Эксперименты оказались очень сложными, т.к. речь идет об измерении тонких деталей спектра вариаций на высоких гармониках, а сами вариации только-только научились выделять. Но так велик был интерес к реликтовому эху, такая большая вера, порожденная успехом СОВЕ, появилась у экспериментаторов, что «пики» стали сдаваться один за другим!

2002 г. стал рекордно урожайным. Сначала, весной, эксперименты на аэростатах и новом интерферометре DASI (Degree Angular Scale Interferometer), проводимые на Южном полюсе, смогли выделить второй пик. Затем более совершенная установка CBI (Cosmic Background Imager), развернутая в пустыне Атакама (Чили) на высоте 5000 м, где крайне низок «шум» водяного пара атмосферы, зарегистрировала уже четыре акустических пика.

Но апофеозом года стали результаты большого спутникового эксперимента МАP (Microwave Anisotropy Probe), преемника СОВЕ, выполненного на более высоком техническом уровне. Подготовка эксперимента заняла 10 лет. Сейчас эксперимент носит название WMAP – в честь многолетнего руководителя программы проф. Д.Уилкинсона, который умер год назад.

Эксперимент века

Век еще в самом начале, но, несомненно, результаты работающей сейчас на орбите станции WMAP являются крупнейшим научным достижением.

Спутник весом 840 кг был запущен в июне 2001 г. наоколосолнечную орбиту, в лагранжеву точку L₂ (1,5 млн км от Земли), где гравитационные силы Земли и Солнца равны друг другу и условия прецизионных наблюдений всего неба наиболее благоприятны. На рис. 2 показана станция WMAP в «рабочих условиях» космического полета. От Солнца, Земли и Луны (наиболее близких источников тепловых шумов) приемная аппаратура защищена большим круглым экраном, на освещенной стороне которого размещены солнечные батареи. Такая ориентация сохраняется в течение всего полета.

Рис. 2. Общий вид станции WMAP в космическом полете

Два приемных зеркала площадью 1,4x1,6м², поставленные «спина к спине», осуществляют просмотр неба в стороне от оси ориентации. В результате вращения станции вокруг собственной оси за сутки просматривается 30% небесной сферы. Разрешающая способность WMAP в 30 раз выше, чем у COBE. Размер измеряемой ячейки на небе равен 0,2°x0,2°, что сразу сказалось на точности небесных карт. На рис. 3 показаны для сравнения карты, полученные СОВЕ и WMAP. Видна огромная разница в четкости изображения. На небо наконец взглянул детектор с острым зрением. Во много раз повысилась и чувствительность приемной аппаратуры. Например, массив данных СОВЕ, полученных за 4 года, новый эксперимент набирает всего за 10 дней!

Рис. 3. Радиокарты неба в галактической системе координат (частота 90 ГГц) по
данным СОВЕ (а) и WMAP (б). Полоса вдоль экватора – радиоизлучение Галактики

Наблюдения проводятся в пяти частотных полосах (от 22,8 до 93,5 ГГц) с помощью десяти дифференциальных измерительных ансамблей, использующих по два радиометра каждый, что позволяет проводить более глубокий анализ данных и в конечном счете иметь более четкую, очищенную от шумов, картину реликта.

За год точка L₂ проходит путь вокруг Солнца, а детектор дважды «покрывает» всю небесную сферу. Приведены результаты первого года наблюдений.

Карты реликтового излучения получались по наблюдениям в трех высокочастотных полосах, где вклад Галактики наименьший. Было получено восемь независимых карт, которые совмещались кросс-корреляционным методом, что полностью устраняло шумы.

Рис. 4. Спектр мощности температурных вариаций (а) и поляризации (б) реликтового излучения, полученный за первый год измерений WMAP. Сплошные кривые – скорректированный (на положение «пиков») расчет по инфляционной модели

Из этих данных строился спектр мощности вариаций, показанный на рис. 4, а. Сплошная линия – расчетный спектр по инфляционной модели, скорректированный на положение акустических пиков. Три первых пика отлично видны и точно «привязаны» к шкале l-гармоник. Четвертый и пятый заметны, но требуют для надежного выделения еще измерений, которые, несомненно, будут проведены, ведь эксперимент продолжается! Точное знание положения акустических пиков позволяет определить параметры Вселенной и уточнить расчетный спектр. Произошел новый решительный прорыв в изучении реликта, да такой, который прояснил всю картину Вселенной.

Дополнительная ценность эксперимента WMAP (а также DASI) – в измерении поляризации реликта. Тепловое излучение не поляризовано, но поток реликтовых фотонов, испытывая последнее рассеяние в плазме эпохи рекомбинации, приобретал небольшую поляризацию, регистрация которой может точно указать это время. Рекомбинация вещества, означающая переход от ионизованной плазмы к нейтральным атомам, произошла тогда, когда температура излучения упала ниже потенциала ионизации (сначала гелия, а потом водорода). Эффект приобретенной поляризации был увиден (рис. 4, б). Удалось даже выделить более тонкий эффект – еще меньшую поляризацию, возникшую при повторной ионизации вещества в эпоху загорания звезд. Первые в мире звезды, продукты гравитационной конденсации вещества, были, по-видимому, очень массивными и яркими (много было строительного материала) и их ультрафиолетовое излучение снова ионизовало нейтральный газ, вызвав еще одну возможность рассеяния (и дополнительной поляризации) реликтовых фотонов. Удивительно даже говорить об этих далеких эпохах, память о которых, казалось бы, давно потеряна. А вот реликтовое эхо, тихий свидетель ушедших эпох, доносит до нас с удивительной точностью «дела давно минувших дней».

Все полученные результаты легли в основу стандартной космологической модели – первого эскиза реальной Вселенной.

Стандартная космологическая модель

Вселенная, которая удовлетворяет проведенным наблюдениям температурных вариаций реликтового излучения, а также другим полученным в последнее время важным результатам (измерение константы Хаббла космическим телескопом его имени, наблюдение ускорения далеких галактик по вспышкам сверхновых типа SN Iа, статистика скоплений галактик), описывается плоской моделью с инвариантным по шкалам спектром первичных вариаций плотности. Ее главные параметры таковы.

Возраст: 13,7 ± 0,2 млрд. лет.
Полная плотность материи*: 1,02 ± 0,02.
Плотность барионной материи*: 0,044.
Плотность темной материи*: 0,27.
Плотность темной энергии*: 0,73.
Постоянная Хаббла: 71 (+ 4 – 3) (км/c)/Мпк.
Температура реликта: 2,725 К.
Время эпохи рекомбинации: 380 тыс. лет.
Время повторной ионизации: 200 (?) млн лет.

Некоторые из параметров, еще вчера очень неточных, стали похожи на признанные мировые константы. Вселенная из сущности с неопределенным местом жительства и непонятными наклонностями перешла в ранг вполне добропорядочных образований, чье поведение законопослушно и предсказуемо. Вселенная получила «паспорт» и «прописку».

При этом не надо забывать, что «эксперимент века» не окончен и паспортные данные еще уточнятся. А не за горами – новый избирательный и зоркий детектор PLANCK Европейского космического агентства (запуск планируется в 2005 г.), чья разрешающая способность будет в два раза выше, чем у WMAP.

Космология перестала быть загадочной наукой, а мы в последнее время узнали о мире так много, «что и не снилось нашим мудрецам».

* В единицах критической плотности r_кр = 3h²/(8pG), где h – постоянная Хаббла, G – гравитационная постоянная