Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Однако не стоит забывать, что первое успешное выявление анизотропии реликтового излучения с помощью аппаратуры космического базирования было совершено в России. Это был эксперимент «Реликт», осуществленный в середине 1980-х гг. сотрудниками Института космических исследований АН СССР. На одном из спутников серии «Прогноз» был установлен высокочувствительный радиометр, который в течение полугода измерял энергию фонового микроволнового излучения. Правда, он действовал лишь на одной частоте, в то время как микроволновой радиометр COBE оперировал на трех (31,5, 53 и 90 гигагерц) и потому давал больше информации. Анализ результатов с «Прогноза» затянулся на несколько лет, но в конце концов он позволил обнаружить вариации температуры реликтового излучения. Об этом было доложено на семинаре в ГАИШ в январе 1992 г., за три месяца до того, как Джордж Смут впервые представил аналогичные результаты со спутника COBE на заседании Американского физического общества. Мне довелось беседовать с Джоном Мазером после получения им Нобелевской премии, и он с готовностью признал достижения российских коллег.

Фоновое микроволновое излучение состоит из фотонов, которые освободились из плена горячей космической плазмы, когда длина их волн была приблизительно в 1100 раз меньше (а частота и энергия, соответственно, в 1100 раз больше) нынешних значений. Отношение разности измеренной в нашу эпоху длины волны фотона и ее величины в момент испускания к этой величине называется космологическим красным смещением (то есть красное смещение равно отношению современной и первоначальной длин волн минус единица). Эта величина задает изменение масштабов Вселенной, которые во время рекомбинации в 1100 раз были меньше нынешних. Абсолютное большинство этих фотонов с тех пор путешествуют по космическому пространству без всякого контакта с веществом. Тем не менее некоторые из них все же вступали в различные взаимодействия, которые могли либо подкачать их дополнительной энергией, либо привести к энергетическим потерям.

И что же из этого следует? Температурные флуктуации реликтового излучения прежде всего отражают физические условия во Вселенной в эпоху рекомбинации (а фактически и до нее). Эти условия проявляют себя в тех видах его анизотропии, которые называют первичными. Последующее путешествие фотонов сквозь космос вызывает дополнительные отклонения от идеальной изотропии, и их, естественно, именуют вторичными. Это разграничение двух основных типов анизотропий совершенно необходимо для понимания их причин и механизмов возникновения.

Как уже было отмечено, ученые приступили к поиску угловых температурных флуктуаций реликтового излучения практически сразу после его открытия. Долгое время он практически не дал ничего за исключением демонстрации эфирного дрейфа. Это было непонятно и даже тревожно. Тогда считали, что вещество Вселенной почти целиком состоит из барионов (протонов и ионизированных ядер гелия) и электронов, причем последние по малости своей массы практически не должны влиять на космические гравитационные поля. Теория утверждала, что в эпоху красного смещения, равного 1100, барионы были распределены в пространстве с достаточно большими флуктуациями плотности — на уровне 0,1 % (при меньших флуктуациях к нашему времени скопления и сверхскопления галактик просто не смогли бы возникнуть). До наступления рекомбинации фотоны и ионы сильно взаимодействовали друг с другом, хотя и не прямо, а посредством электронного газа (фотоны рассеивались на свободных электронах, которые воздействовали на движение ионов благодаря кулоновскому электростатическому притяжению). Поэтому плотность и температура фотонов должны были флуктуировать пропорционально плотности барионов. Коль скоро относительная величина колебаний температуры фотонного газа после рекомбинации не изменилась, она и сегодня должна оставаться на уровне десятой доли процента — то есть составлять милликельвины.

Такие флуктуации искали годами, но не могли обнаружить. Интересно, что в середине 1980-х гг. это обстоятельство значительно укрепило позиции тогда еще далеко не общепринятой гипотезы темной материи. Темная материя по определению никак не взаимодействует с электромагнитным излучением, но подчиняется силам гравитации. Поэтому ее частицы под действием тяготения стягиваются в исполинские комки и втягивают в них барионное вещество. Вычисления показывают, что если доля темной материи в общей массе Вселенной заметно превосходит долю барионного вещества, то величина температурных флуктуаций реликтового излучения на малых угловых масштабах сильно уступает первоначальным теоретическим оценкам. Это означает, что флуктуации барионной плотности в эпоху рекомбинации вполне могли быть на порядки больше, чем фотонные флуктуации. Именно это и подтвердил COBE, обнаруживший, что флуктуации температуры реликтового излучения составляют не десятые, а тысячные доли процента (иными словами, измеряются не милликельвинами, а десятками микрокельвинов).