Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

будто удалось заглянуть в прошлое, если можно так выразиться. В течение четырех месяцев они многократно проверяли и перепроверяли полученные данные. Это связано с огромными трудностями, поскольку зарегистрированные всплески были плотнее фонового излучения всего лишь на одну стотысячную долю. Таким образом, регистрация их с поверхности Земли, что планировали сделать различные астрономические коллективы, в частности группа исследователей из обсерватории Джодрелл-Бэнк, была бы сопряжена с еще большими трудностями.

Успешная регистрация «COBE» едва различимых признаков нарушений гравитационного поля ранней Вселенной представляла собой высококлассное техническое достижение. Когда в апреле 1992 г. на конференции Американского физического общества объявили о полученных результатах, все специалисты, интересующиеся этой проблемой, были в полном восторге. На пресс-конференции, устроенной указанной группе исследователей, Смут отметил: «Если вы религиозны, то это примерно то же самое, что узреть Бога», а месяц спустя смягчил исходную формулировку, задавшись теологическим вопросом: «Это как найти движущий механизм, приводящий в действие вселенную, и разве не этим является Бог?» «Ньюсуик» опубликовала статью под заголовком «Письмена Бога», в которой рассказывалось о восторженных отзывах других астрономов, подливавших масла в огонь всеобщего возбуждения: «Они нашли чашу Грааля космологии» (Майкл Тернер); «Это как книга „Бытия“» (Стивен Маран); и «величайшее открытие столетия, если не всей истории» (Стивен Хокинг). Однако флуктуации не являлись чем-то неожиданным и, принимая во внимание неоднородности, проявившиеся в более позднюю историю Вселенной, было бы более удивительно, если бы исследование подобного рода не появилось вовсе. Хотя указанный эпизод служит ярким напоминанием об энтузиазме минувшей эпохи, это также напоминает нам о том, что существуют сообщества, в которых сомнительная теология может оказаться экономически выгодной. В течение следующего десятилетия у астрономов случилось несколько серьезных поводов посетовать на недостаточное финансирование. Священный Грааль?

Вскоре после этого на Южном полюсе было предпринято исследование космического излучения независимо от (но в дополнение к) «COBE». Физики Марк Драгован и Джеффри Питерсон из Принстонского университета произвели чрезвычайно важные наблюдения, использовав аппаратуру Центра астрофизических исследований в Антарктике. Они объявили о своих находках в 1993 г. на конференции Американского астрономического общества, но с меньшей помпой, чем их предшественники. Использовав во время южного лета 1992/93 г. два специально разработанных радиотелескопа, они зарегистрировали с помощью одного из них температурные колебания в пределах трех миллионных долей – гораздо меньшие, чем мог зарегистрировать «COBE». Работа в Антарктике обладала многочисленными преимуществами по сравнению с более комфортными условиями, хотя в принципе у любого спутника всегда есть возможность выявить более тонкие детали. Детекторы радиоизлучения необходимо было охлаждать до температур, возможно более близких к абсолютному нулю, и это достигалось чуть проще, чем в лабораториях под крышей. На широте полюса не требуется делать перерывов в наблюдении выбранного участка неба, что делает работу телескопов более эффективной. (Конечно, с полюса видна только половина неба, и в этом отношении спутник обладает определенным преимуществом.) Наиболее важным условием является крайне сухой антарктический воздух, практически полностью лишенный водяного пара, который обычно затрудняет наблюдение микроволнового излучения с наземных обсерваторий. Но главное преимущество – вопрос покрытия расходов.

После того как в 1996 г. был завершен эксперимент спутника «COBE», последовали другие наземные и стратостатные (баллонные) эксперименты по измерению анизотропии космического фонового микроволнового излучения со все более высоким разрешением. Эти измерения позволили исключить космические струны из числа теорий, достоверным образом описывающих структуру Вселенной, и укрепить веру в космическую инфляцию. (Чуть позже мы еще раз поговорим об этих двух теориях.) В течение следующего десятилетия количество подобных программ стремительно росло, достигнув в общей сложности не менее семнадцати; базируясь в местах от Саскачевана до Южного полюса, все они ставили перед собой общую цель углубления знаний об анизотропии космического фонового микроволнового излучения. Программы отличались друг от друга в различных аспектах, главным образом в масштабе измеряемых флуктуаций, размере обозреваемых участков неба и достигаемом угловом разрешении. Некоторые из них измеряли поляризацию, что может помочь в решении вопроса о времени формирования звезд и, возможно, получить ключ к разгадке событий, происходивших на самых ранних стадиях развития Вселенной. Одним из наиболее амбициозных проектов НАСА был спутник «WMAP», программа которого предусматривала картографирование относительной температуры космического фона всего неба с угловым разрешением около 0,3° и высокой чувствительностью36. Для этого использовалось оборудование, с помощью которого можно было с очень высокой точностью измерять разницу температур между двумя точками неба. (Как отмечалось выше на с. 950, «WMAP» был размещен на орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце-Земля.)

Данные трехлетних наблюдений «WMAP» опубликованы в 2006 г. Их истолковали как веское доказательство в пользу Стандартной космологической модели ΛCDM, которая к тому времени начала получать все бо́льшую поддержку, хотя всего лишь несколькими неделями ранее была поставлена под сомнение кембриджскими астрономами (см. с. 1005). По вопросу «дактилограммы» ранней Вселенной, отвечающей за современную организацию материи в большом масштабе и выявленной благодаря анализу температурных флуктуаций в космическом микроволновом фоне, две независимые группы исследователей почти одновременно анонсировали в январе 2005 г. общее согласие с ранними интерпретациями данных «COBE» и «WMAP». Это были «Двухградусный обзор галактических красных смещений» (2dFGRS), осуществленный с использованием телескопа-робота в Новом Южном Уэльсе, и Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS) обсерватории в Нью-Мексико. Первый коллектив установил, что на барионную материю Вселенной приходится 18 процентов, а на темную – 82 процента. По вопросу о ХТМ единого вывода пока нет.

Q И Ω

Вернемся в 1990 г. Предварительные результаты «COBE», анонсированные в том году, позволили уточнить значение температуры фонового космического излучения: 2,735 К вместо 3,5 ± 1 К, полученного ранее Пензиасом и Уилсоном. (В промежуточный период было проведено еще несколько измерений. График зависимости плотности излучения от длины волны, полученный «COBE», изображен на ил. 247.) Для измерения температурной флуктуации (легкой ряби в целом спокойного и сглаженного мира) используется параметр Q. Он задает энергию флуктуаций в долях от полной энергии Вселенной. Предполагалось, что с его помощью можно определить время, когда образовались такие структуры, как скопления и сверхскопления галактик. Должно быть очевидно, что чем шире угол, в пределах которого проводятся измерения, тем более сглаженным окажется излучение. «COBE» производил обзор неоднородностей в лучшем случае в пределах семи градусов и получил значение Q около 10-5. Столь малое число говорит не только о технических достижениях «COBE», но и об очень большой однородности измеряемого излучения. В точности такая же величина уже была получена на основе вычислений масс обширных структур, представляющих собой некие пики на территории в целом однородной, «равнинной» Вселенной, – Великих стен, сверхскоплений и т. д. Количество темной материи оставалось неизвестным, и вплоть до проведения последних измерений было непонятно, как изменение масштаба будет влиять на Q.

247

Космический микроволновой фон представляет собой излучение абсолютно черного тела, заполняющее собой всю Вселенную, со спектром, соответствующим температуре 2,725 К (см. с. 909). На данном графике представлен очень точно измеренный спектр абсолютно черного тела, полученный с помощью инфракрасного абсолютного спектрофотометра – инструмента, находящегося на борту спутника «COBE». Его максимальное значение приходится на длину волны 1,9 миллиметра (частота 160,4 гигагерца).

Результаты, полученные «COBE» и другими экспериментами, были еще более неожиданны в следующем аспекте. Как оказалось, обнаруженные флуктуации образовались в первые 300 000 лет истории Вселенной, а это, в свою очередь, привело к предположению, что Вселенная обладает гораздо большей плотностью, чем думали ранее. (Чем больше масса, тем быстрее образуются неоднородности. Относительное количество внеземного дейтерия, обнаруженное в 1973 г. на