Владимир Решетников - Почему небо темное. Как устроена Вселенная

Крупномасштабная анизотропия, вызванная движением Земли относительно реликтового фона, была обнаружена в 1977 году группой ученых из Калифорнийского университета с помощью наблюдений на высотном самолете-разведчике U-2 [21] Именно такой самолет 1 мая 1960 года был сбит советской зенитной ракетой в районе Свердловска. Пилот — Фрэнсис Пауэрc — спасся на парашюте и в феврале 1962 года его обменяли на знаменитого советского разведчика Рудольфа Абеля. .

Оказалось, что Солнечная система движется относительно реликта в направлении созвездий Льва и Чаши со скоростью примерно 370 км/с. В этом направлении температура реликтового излучения оказалась примерно на 0.003 К выше, а в противоположном (в направлении созвездия Водолей) — на столько же ниже, чем среднее значение. Следовательно, амплитуда дипольной составляющей фонового излучения Δ Т/Т ~ 0.003/2.7 ~10 -3.

Мелкомасштабные вариации температуры реликтового излучения были открыты с помощью внеатмосферных наблюдений, причем важнейшую роль в этом сыграла космическая обсерватория СОВЕ (COsmic Background Explorer). В 1992 году было обнаружено, что на масштабах ~10° амплитуда флуктуации реликтового фона составляет Δ Т/Т ~ 10 -5. Последующие наблюдения из космоса, с поверхности Земли и с аэростатов подтвердили эти результаты и распространили их на еще меньшие угловые масштабы.

Результатом многолетней работы астрономов явилась детальная карта распределения температуры реликтового излучения по небесной сфере. На рис. 31 показана репродукция такой карты в галактических координатах (плоскость Млечного Пути вытянута вдоль большой оси рисунка). На этой карте удалены многочисленные мешающие эффекты (дипольная составляющая из-за движения Земли в пространстве, излучение Млечного Пути, внегалактические источники радиоизлучения) и оставлены, как предполагается, только реальные, космологические флуктуации. На карте на разных масштабах видны многочисленные «холодные» и «горячие» пятна. К сожалению, есть подозрения, что часть особенностей этой карты все-таки связана с не совсем точным учетом влияния излучения нашей Галактики и, возможно, даже Солнечной системы.

Рис. 31. Распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере (темные области — пониженная температура, светлые — повышенная) по результатам 7-летней работы спутника WMAP.

Какую информацию можно извлечь из анализа флуктуации фонового излучения? Огромную. По сути, такой анализ дает основную информацию о Вселенной в целом. Ранняя Вселенная с точки зрения физики была очень простой и многие шедшие в ней процессы оставили отпечаток в свойствах реликтового излучения. Например, реликтовое излучение дает возможность оценить геометрию пространства — времени. На стадии формирования фотонов реликтового излучения — в эпоху рекомбинации — Вселенная была примерно в 1000 раз меньше (z ~1000) и ее возраст составлял ~400 000 лет. Следовательно, характерный размер наибольшего возмущения не мог превышать 400 000 световых лет. При более точном подходе получается, что на момент рекомбинации длина волны наибольшего колебания была несколько меньше и составляла ~220 000 св. лет — это так называемый звуковой горизонт. Из наблюдений анизотропии реликтового излучения мы можем найти угловой размер, соответствующий самым большим неоднородностям, (~1°) и, зная соответствующий линейный размер (220 000 св. лет) и красное смещение формирования, легко определить кривизну пространства. Оказалось, что с очень большой точностью наше пространство является плоским, евклидовым. Детальный анализ зависимости амплитуды флуктуации реликтового излучения от углового масштаба дает возможность оценить множество других характеристик Вселенной — ее полную плотность, плотность обычного (барионного) вещества и темной энергии (см. параграф 2.7), возраст Вселенной, значение постоянной Хаббла, а также многие другие. Как сказал Джордж Смут, получивший в 2006 году Нобелевскую премию по физике за свой основополагающий вклад в открытие флуктуации фонового излучения, «открытие анизотропии температуры космического реликтового излучения произвело переворот в наших представлениях о Вселенной, и его современные исследования продолжают революцию в космологии».