Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

До обнаружения реликтового излучения физическое сообщество не принимало ни теории стационарной Вселенной, ни теории горячего Большого взрыва. В теории стационарного состояния Вселенной ее расширение компенсировалось необходимостью непрерывного создания вещества, так как лишь при этом условии Вселенная могла оставаться одинаково постоянной, без начала и без конца. Обе теории обладали своими преимуществами (и, соответственно, недостатками), и только открытие реликтового излучения позволило ученым вынести окончательную оценку. Теория Большого взрыва предсказывала наличие реликтового излучения, в то время как теория стационарной Вселенной не предсказывала, но и не отвергала возможность его существования, оставляя проблему нерешенной вплоть до возможного экспериментального подтверждения. Приблизительно в течение двух лет после открытия Пензиаса и Вильсона теория стационарной Вселенной впала в немилость. Хойл и некоторые другие ученые продолжали пытаться включить реликтовое излучение в улучшенные версии этой модели. Но все попытки провалились, поскольку само существование реликтового излучения было стержнем в системе доказательств, опровергавших теорию стационарной Вселенной.

Естественным продолжением открытия стало тщательное исследование реликтового излучения с целью выделить из полученных данных спектр излучения, изучить его и сравнить с предсказываемой теорией кривой излучения черного тела. Поскольку предполагалось, что реликтовое фоновое излучение чернотельно, форма кривой, описывающей распределение его полной энергии по всему диапазону длин волн, теоретически хорошо известна. Для проверки теории чернотельности требовалось провести независимые измерения для различных длин волн. Настало время выйти за рамки простого обнаружения и измерения одной точки в данных по температуре, но получить большее число экспериментальных данных с использованием более сложных и точных приборов. Поскольку сама идея о том, что реликтовое излучение является реликтом Большого взрыва со спектром черного тела, приобрела к этому времени общее признание, ученые приступили также к детальным теоретическим расчетам. Новые измерения надежно подтвердили гипотезу Большого взрыва и позволили глубже понять начальный период развития Вселенной. Общая энергия реликтового излучения превышает энергию излучения всех галактик и составляет около 99 % всего излучения, содержащегося во Вселенной.

Несмотря на успехи в моделировании ранней Вселенной, главный вопрос, поставленный с самого начала Гамовым — каким образом возникли тяжелые химические элементы, — пока остается без ответа. Сегодня мы уже понимаем, что плотный огненный шар, возникший в момент творения, то есть Большой взрыв, породивший «суп» из вещества и излучения, стал охлаждаться сразу после начала расширения Вселенной. В эту эпоху излучение доминировало над материей, то есть количество фотонов существенно превосходило число любых других частиц. Первыми из кварков сформировались протоны и нейтроны, а затем в течение трех первых минут из этих нейтронов и протонов стали образовываться ядра гелия, дейтерия и лития. Поскольку такое слияние (нуклеосинтез) требует очень высоких температур и плотности вещества (именно это обстоятельство создает одно из главных препятствий для реализации описанного процесса в лабораторных условиях), Вселенная очень быстро охладилась. Охлаждение должно сразу остановить синтез любых более тяжелых химических элементов, вследствие чего в первичной Вселенной никак не мог образоваться ни один из существующих в природе элементов тяжелее лития, седьмого элемента периодической таблицы. Похоже, именно в этом состояло упущение в расчетах Гамова, Альфера и Германа, так как тяжелые элементы природы формировались вовсе не на ранней стадии возникновения Вселенной, когда она выглядела подобно огненному шару, а гораздо позже, причем внутри звезд, природных ядерных реакторов.

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва положительно заряженные ядра атомов начали объединяться с электронами, образуя нейтральные атомы, что и позволило материи и излучению разделиться и существовать далее во Вселенной отдельно друг от друга. Физики называют это процессом разделения материи и излучения. Освободившись от давления, связанного с излучением, материя начала слипаться под действием сил гравитации, образуя звезды и галактики, которые мы видим сейчас. Излучение освободилось первым, что заметно на примере реликтового излучения. Это излучение заполняет всю Вселенную, и оно представляет собой снимок Вселенной спустя 380 000 лет после начала. Наблюдения спутника COBE подтвердили, что Вселенная к моменту этого разделения действительно была очень похожа на абсолютно черное тело. Точные измерения незначительных искажений реликтового излучения обеспечили поддержку теории о том, как формировались и развивались в нашей Вселенной галактики, заполненные темной материей. Поэтому измерения температуры реликтового излучения — на самом деле измерения вариаций на уровне ничтожных величин, порядка миллионных долей градуса, — содержат в себе запечатленную информацию обо всех галактиках и других структурах, которые оно прошло в своем путешествии к нам.