Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Подробное рассмотрение различных видов первичной и вторичной температурной анизотропии реликтового излучения выходит за рамки популярного изложения (не говоря уже о том, что без серьезной математики такая попытка превратится в чистую профанацию). Однако стоит привести несколько примеров, естественно, с неизбежными упрощениями. Сначала речь пойдет о первичной анизотропии, а затем и о вторичной.

На этом этапе необходимо ввести важное уточнение. Основные причины первичной анизотропии можно — и нужно! — разделить на две группы. Во-первых, это механизмы, которые действуют на масштабах, превышающих величину звукового горизонта в эпоху рекомбинации. Из-за этого на них практически не влияют локальные физические процессы, которые могли иметь место со времени Большого взрыва до эпохи рекомбинации. Во-вторых, это взаимодействия намного меньших масштабов, значительно уступающих величине горизонта.

Cамый эффективный из надгоризонтных механизмов — эффект Сакса — Вольфа, который состоит в воздействии гравитации на энергию (то есть температуру) квантов электромагнитного излучения. Фотоны, рожденные в зоне, где плотность вещества особенно высока и, следовательно, величина поля тяготения больше, вырываются из этой гравитационной ловушки, теряют энергию и сдвигаются в сторону красной области спектра (это и есть гравитационное красное смещение). Точно так же фотоны, которые родились в областях с меньшим гравитационным потенциалом, будут иметь сравнительно бóльшую энергию, так что их спектр сдвинется не в красную, а в голубую сторону. Этот механизм анизотропии отчасти компенсируется тем, что, согласно ОТО, тяготение тормозит течение времени. Поэтому фотоны, вышедшие из областей с максимальной плотностью вещества, будут рассеиваться на электронах несколько раньше фотонов, пришедших из участков с меньшей плотностью. Поскольку температура Вселенной по мере ее расширения падает, эти фотоны встретятся с электронами на более горячей стадии мироздания. Реально оба фактора действуют совместно и в сумме создают эффект Сакса — Вольфа.

Кроме эффекта Сакса — Вольфа стоит упомянуть еще два надгоризонтных механизма. Хотя расширение Вселенной в целом однородно, в ней рождаются (и умирают) потоки вещества. Когда фотоны рассеиваются на электронах, движущихся в этих потоках, их частоты изменяются в соответствии с эффектом Доплера. Если до Земли дошли фотоны, некогда рассеянные струей горячей плазмы, которая двигалась в направлении области пространства, где ныне находится наша планета, их температура окажется чуть выше средней температуры реликтового излучения, а при движении в противоположном направлении — чуть ниже. Таким образом возникает либо голубое, либо красное смещение, но не гравитационное, а чисто кинематическое.

Чтобы понять третий надгоризонтный эффект, вернемся к окончанию предыдущего раздела. В нем показано, что на масштабах, превышающих величину звукового горизонта в эпоху рекомбинации, пространственное распределение барионного вещества почти совпадает с распределением темной материи. Поэтому в зонах с большей плотностью темной материи скапливается больше обычного вещества, которое сильнее нагревается. Из таких областей приходит больше фотонов, причем к тому же более горячих, нежели общий фон. Это и есть еще один механизм температурной анизотропии.

Один из факторов первичной анизотропии, действующих на субгоризонтных масштабах, был подробно описан выше — это звуковые волны в барионно-фотонной жидкости. Однако есть и другой — эффект Силка. Физически он очень прост. Взаимодействие между барионами и фотонами, которое вызывает такие волны, слабеет на малых расстояниях. Это происходит потому, что фотоны имеют конечную длину пробега и по ее прохождении рассеиваются в окружающее пространство по всем направлениям. Такая фотонная диффузия приводит к размыванию температурных флуктуаций. Благодаря эффекту Силка фотоны реликтового излучения, которые пришли на Землю из близких точек небосвода (конкретно — с дистанций, меньших пяти угловых секунд), демонстрируют очень малые первичные флуктуации. Так что в мелкозернистом приближении первичные флуктуации почти не нарушают изотропность излучения.

Вторичные анизотропии реликтового излучения также обязаны разным причинам. Главная из них — ионизация космической среды вскоре после начала звездной эры. Поскольку первые звезды в основном были чрезвычайно массивными и горячими, они заливали космос мощными потоками ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Эти высокоэнергетичные кванты выбивали из нейтральных атомов электроны, на которых происходило рассеяние реликтовых фотонов. Очень важно, что направление, по которому уходил рассеянный фотон, практически не зависело от его первоначального пути. Таким образом, информация о первичных температурных флуктуациях, которую несли реликтовые фотоны, после рассеяния практически полностью стиралась, а температура этих фотонов выравнивалась со средней температурой реликтового излучения. Однако часть реликтовых фотонов все же избегла такой судьбы и донесла до нас сведения о первичных температурных флуктуациях. В итоге мы все же можем их наблюдать, хотя и с уменьшенными амплитудами.