Что ищут «археологи космоса»?: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«Все в порядке, — уверенно отвечает заведующий одной из лабораторий ИКИ кандидат физико-математических наук И. Струков, хотя, наверное, у него на душе кошки скребут… — Аппаратура в норме», — говорит он. Однако любой инженер, взглянув на то, сколь глубоко утонул в шумах полезный сигнал, вполне может в этом усомниться. Но Струков-то, как никто другой, знал, что для того чтобы из этого океана шума вытек слабый ручеек полезной информации, их радиотелескоп должен набрать огромную статистику, провести множество — миллиарды — измерений.

Так начинался этот уникальный эксперимент, результатом которого стало создание радиокарты Вселенной. Это самый грандиозный объект, съемку которого когда-либо предпринимало человечество. И — самый древний, ибо никому еще из «археологов дальнего космоса», ищущих ответы на вечный вопрос: «Как возник мир?», не удавалось заглянуть в столь отдаленные глубины дога. тактической истории.

Чем же интересна нам сегодня картина Вселенной 15–20 миллиардолетней древности?

В ту пору не было ни звезд, ни скоплений, ни галактик — ни одно светило не появилось еще на свет. Лишь в оптическом диапазоне волн мчат, пронизывая во всех направлениях пространство, фотоны. Именно в том, каким образом сейчас распределена энергия этих остывших чуть ли не до абсолютного нуля квантов электромагнитного поля, содержится бесценная информация о «начале», если так можно выразиться, мира. В потоках реликтовых фотонов содержатся тончайшие генетические структуры, расшифровывая которые, космологи пытаются понять, как появился на свет феноменальный «сверхген» Вселенной, из которого спустя миллиардолетия родились галактики, звезды, мы…

1. За «ошибку» — Нобелевскую премию

Почти четверть века назад американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон заложили краеугольный камень в здание современной космологии. «Прослушивая» небесный свод с помощью специальной рупорной антенны, они изучали слабые радиосигналы, отражаемые спутниками «Эхо». Антенна — это укрепленная на крыше здания гигантская «слуховая трубка» 7 м длиной. Пытаясь определить порог чувствительности антенны, ученые ориентировали ее рупор так, чтобы в него не попадало космическое радиоизлучение Млечного Пути. Прием шел на волне 7 см, в том диапазоне, в котором атмосфера имеет «окно прозрачности», поэтому на фоне молчащего радиокосмоса должны были бы сразу отчетливо проявиться собственные шумы аппаратуры. Расчеты, однако, не оправдывались. Галактика отчетливо «фонила». Но может быть, высокочувствительный прибор заодно регистрировал и тепловые помехи атмосферы? Ученые стали понемногу менять положение «слуховой трубки», рассуждая, что при приближении к линии горизонта атмосфера становится толще и, следовательно, уровень шумов должен возрасти, а в зените, напротив, упасть.

Но ничего подобного. Антенна вела себя одинаково шумно при всех положениях рупора над горизонтом. Эксперимент затянулся на многие месяцы, поэтому антенна, вращаясь вместе с Землей вокруг ее оси, а также вокруг Солнца, словом, перемещаясь в пространстве, уже принимала излучение из новых областей Галактики, но… все на том же недопустимо высоком уровне шума. И в любом положении «температура» антенного шума отличалась от расчетной на одну и ту же величину.

Будучи дотошным исследователем, Пензиас в поисках «шумящего» фактора винтик за винтиком перебрал узлы и детали своей конструкции. Пришлось даже выселить из рупора пару голубей, а также затратить немалые усилия на очистку антенных конструкций от некоего постороннего вещества, которое Пензиас позже, в своей Нобелевской речи, назовет деликатно «диэлектрическим белым налетом».

Тщетны все старания! Едва опыты были возобновлены, выскобленный и вылизанный коротковолновый приемник излучения зашумел вновь. Сигнал на выходе приемника свидетельствовал о том, что он принимал энергию, пропорциональную 7 К, изо всех точек пространства. В конце концов, отнеся еще градуса 3–4 на внутренние шумы охлаждаемых жидким гелием усилителей, экспериментаторы получили в «сухом» остатке около 3 К, «списать» которые было просто-напросто не на кого… Разве что на Вселенную, которую и заполняло это однородное, доселе неизвестное микроволновое излучение?..

Так было совершено самое выдающееся со времен Коперника открытие в области космологии (учеными, кстати сказать, никакого отношения к космологии не имеющими). В 1978 году за открытие микроволнового реликтового излучения им была присуждена Нобелевская премия. Оказалось, впрочем, что теоретиками эти результаты были давно предсказаны.

2. Свет и тьма «горячей» Вселенной

«Всегда очень трудно сознавать, что те числа и уравнения, которыми мы забавляемся за нашими столами, имеют какое-то отношение к реальному миру», — сказал однажды лауреат Нобелевской премии С. Вайнберг. Может, это был прозрачный намек физикам-экспериментаторам на их излишнюю недоверчивость — или невнимательность? — к выводам, получаемым «на кончике пера»? Скорее всего так, ведь еще в 20-х годах из решений уравнений гравитации А. Эйнштейна, полученных выдающимся советским физиком А. Фридманом в первой половине 20-х годов, следовало, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная может либо бесконечно расширяться, либо под влиянием сил гравитации сжиматься.

Фридмановскую модель расширяющейся Вселенной вскоре подтвердило открытие американского астронома Э. Хаббла. Он обнаружил, что в спектрах далеких галактик наблюдается так называемое красное смещение, причем тем большее, чем дальше галактики находятся от Земли. Из школьного курса физики известно, что, согласно эффекту Доплера, длина световой волны увеличивается, если излучающий объект, в данном случае галактика, удаляется от нас. Или другой широко известный пример с гудом самолетных турбин: если машина приближается к наблюдателю, звук становится выше, если удаляется — ниже; в последнем случае волны как бы удлиняются, то есть происходит смещение спектра в сторону более длинных волн.

То же самое происходит и в спектре радиоизлучения разлетающихся галактик. Однако самым поразительным было то, что по характеру красного смещения оказалось возможным определить возраст расширяющейся Вселенной.

Но вот вопрос: что послужило начальным толчком для такого расширения? И почему чем дальше от нас находятся галактики, тем быстрее они разлетаются?

Своеобразной точкой отсчета для современного этапа эволюции Вселенной является Большой взрыв. Примерно к такому выводу пришел американский физик русского происхождения Георгий Гамов, опубликовавший в 40-х годах три небольшие заметки в «Физикал Ревю», в которых изложил теорию, ныне широко известную под названием «горячей» Вселенной, или Большого взрыва.

В самом деле. Допустим, мы наблюдаем какое-то событие, начало которого застать не удалось. Видя разлетающиеся с огромной скоростью обломки, можно судить о силе первоначального толчка. Применительно к разлетающимся галактикам роль первотолчка сыграл Большой взрыв. Точно так же по остывающему при расширении веществу, излучению и другим его «отголоскам» удалось установить, что примерно 20 млрд. лет назад (по другим оценкам — 15 млрд. лет) Вселенная была чрезмерно сжата и очень горяча. Насколько?.. И как быстро произошло то событие, которое сыграло весьма заметную роль в деле дальнейшего обустройства нашей Вселенной?

Осведомленность физиков в этом вопросе поражает воображение. Так, утверждается, что в момент времени, близкий к начальному, все вещество Вселенной, имея температуру 10³¹ К и плотность 10⁹³ г/см³, занимало скромный, размером с протон, объем. Далее первичный огненный шар начал расширяться — сначала быстро, потом гораздо медленнее. Дальнейший сценарий его эволюции едва ли не с секундной точностью современной наукой написан. Кроме, пожалуй, наиболее интересного начального этапа, когда вещество нашей Вселенной было собрано в одну точку, несколько туманно именуемой сингулярностью. Неизвестно лишь, что представляют собой свойства этой точки, ибо основные законы природы, которыми мы пользуемся, в том числе и важнейшие пространственно-временные соотношения, никак не могут оставаться справедливыми при тех экстремальных условиях, что присущи сингулярности. В этой — особой — точке теряют смысл даже такие фундаментальные понятия, как «раньше» и «позже», «причина» и «следствие»…

Теперь от волнующей, но непознанной сингулярности мысленно перенесемся к одному из важнейших этапов расширения Вселенной, который физики буднично называют радиационным. В это время первичный огненный шар все еще был непрозрачен для электромагнитного излучения — в нем вещество находилось в тепловом равновесии. Давление фотонного газа в мгновение ока разрушало любой образовавшийся сгусток вещества. В свою очередь, свободные электроны с их свойством рассеивать излучение решительно «пресекали» любые попытки фотонов покинуть пределы огненного шара. Лишь через миллион лет после Большого взрыва (или, как сказали бы астрофизики, при красном смещении 1055), когда температура огненного протонно-электронно-фотонного шара упала ниже 4000 К, появились на свет первые атомы водорода.

Именно на свет. Ибо связанные, то есть занявшие ядерные орбиты, электроны уже оказались не в состоянии столь интенсивно, как прежде, рассеивать излучение. Поэтому взаимодействие фотонов с веществом ослабевает, излучение как бы отрывается от вещества! Итак, свет появляется на свет лишь в первое миллионолетие Вселенной. Как не вспомнить в этой связи в свое время сильно смущавшую отцов церкви (и потому, наверное, вызвавшую сильный их гнев) фразу Смердякова из «Братьев Карамазовых»: «Свет создал господь бог в первый день, а солнце, луну и звезды — на четвертый. Откуда же свет-то сиял в первый день?»

За сей каверзный вопрос его автор был, как известно, бит.

Как видно, новейшие открытия астрофизики, проливающие, так сказать, свет на одно из самых темных мест Библии, сегодня заодно позволили бы гораздо корректнее ответить любознательному герою Достоевского!

Вернемся, впрочем, к тому времени, когда свет впервые появился на свет. Продолжая остывать, вещество под действием сил гравитации понемногу стало собираться в сгустки и скопления, образуя зародыши будущих галактик. А излучение? В момент отрыва от вещества оно как бы «сфотографировало» начальные неоднородности в структуре развивающейся Вселенной. Зажив независимой жизнью, это фоновое излучение продолжает как бы нести в себе, а точнее сказать, в своем распределении интенсивности отпечаток Вселенной в миллионолетнем возрасте. В нем навечно запечатлены те изначальные зародыши и возмущения первичного огненного шара, рост которых в дальнейшем привел к зарождению галактик, образованию их скоплений и сверхскоплений. Измеряя распределение этого излучения на небесной сфере, «археологи космоса» получают редчайшую возможность, заглянув в далекое прошлое Вселенной, запечатлеть ее в юном — по вселенским, разумеется, масштабам миллионолетнем возрасте и даже построить радиокарту. Наблюдение любого иного из всех известных на сегодняшний день галактических объектов не позволяет разглядеть столь мелкие и столь далеко в пространстве и времени находящиеся «кирпичики» нашего мира.

3. Охота за большим косинусом

Многие аспекты теории «горячей» Вселенной, развитые отечественными и зарубежными учеными предсказывают существование неоднородности — анизотропии — в микроволновом фоновом излучении на уровне сотой и даже тысячной доли процента. Второе десятилетие подряд на 600-метровом радиотелескопе АН СССР, или сокращенно РАТАН-600, и других крупнейших радиотелескопах планеты предпринимаются отчаянные попытки обнаружить мелкомасштабную анизотропию реликтового излучения, что помогло бы астрофизикам и космологам разобраться, как шло развитие отдельных «кирпичиков» нашей Вселенной. Чувствительность имевшихся приборов позволяет оценить лишь верхний предел неоднородности: 10^-4–10^-5. Однако не меньший интерес представляет рассмотрение и таких вопросов: как происходило развитие первичного огненного шара? Всегда ли Вселенная расширялась с одинаковым темпом? Наконец, как Земля и Солнечная система движутся относительно «первичной» Вселенной?

Ответить на эти вопросы можно, если знать, как распределяется радиояркостная температура фонового излучения на небесной сфере. Иными словами, насколько однородно или неоднородно реликтовое излучение, подчиняется ли оно, скажем, законам тригонометрического косинуса или каким-либо иным? На жаргоне астрофизиков новое научное направление получило название «охота за большим косинусом в небе».

Название, конечно, шутливое. А вот поиски были развернуты нешуточные.

Не будем перечислять всех подчас весьма изощренных экспериментов, к которым прибегали исследователи многих стран, пытаясь измерить реликтовое излучение. Главное условие всех опытов — поистине космическая точность, чувствительность измерений. Об уровне требований, предъявляемых к приборам, красноречиво говорит такое сравнение. Чтобы определить метеорологическую обстановку в каком-либо районе Земли, приходится определить температуру земной суши и поверхности океана с точностью до градуса; приборам, диагностирующим состояние здоровья человека, необходимо измерять температуру его тела с точностью до 0,1 градуса. Но чтобы решить задачу, связанную с «самочувствием» Вселенной, радиоастрономам было бы желательно знать температуру с точностью до стотысячной доли градуса. Последнее же означает, что если ложку кипятка размешать в бассейне холодной воды, то в этом случае температура как раз и «подскочит» на такую долю градуса!

Ну а в дальнейшем эту самую «ложку кипятка» экспериментаторы должны суметь разглядеть на фоне «Ниагарского водопада», горячей воды, низвергаемой с небес Солнцем, атмосферой, летящими в небе самолетами и т. д. и т. п.

Пытаясь избежать помех, американские и итальянские радиоастрономы стали проводить наблюдения с борта самолета, аэростатных гондол, поднятых на высоту до 20 км. Однако и в этом случае точность и эффективность опытов были очень низки. Так, за 15 лет исследований реликтового излучения, проводимых с самолетов и аэростатов, американские радиоастрономы работали в режиме измерения лишь 240 ч, то есть на год подготовки приходилось менее суток «чистого» наблюдательного времени.