вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №2




Зарубежная
космонавтика



Золотой век космологии

К. ПАУЭЛЛ

С самого начала регулярной работы на орбите американской обсерватории «СОВЕ» на Землю стала поступать информация, которую ученые ждали с большим нетерпением. Большинство теоретиков-космологов теперь считает, что эти результаты подтверждают данные, полученные с советского спутника «Прогноз-9», и способны, наконец, помочь выяснить, какие же из многочисленных теорий о происхождении и развитии Вселенной ближе к истине.

Результаты действительно оказались чрезвычайно важными и объясняющими многое в запутанной и неоднозначно воспринимаемой картине мироздания. Обработав полученные материалы, группа американских специалистов обнаружила нечто, похожее на клочковатые структуры, предсказанные теорией Большого взрыва.

Предлагаем вниманию читателей несколько сокращенный вариант статьи из «Scientific American» (июль, 1992 г.), и благодарим редакцию этого журнала, а также редакцию журнала «В мире науки», любезно предоставившую перевод заинтересовавшей нас статьи.

История изучения происхождения Вселенной пополнилась новой главой. 23 апреля 1992 г. Дж. Смут и его коллеги из Лаборатории им. Лоренса в Беркли под вспышки фотокамер и жужжание затворов фотоаппаратов заявили, что прибор, установленный на спутнике «СОВЕ» «Cosmic Background Explorer» — «Исследователь космического фона», принадлежащем NASA, обнаружил следы клочковатых структур, которые образовались через 300 тыс. лет с момента рождения Вселенной (10 — 15 млрд лет назад). Вероятно, это — первичные неоднородности, которые определили структуру современной Вселенной. «Когда в породе находят ископаемые остатки, происхождение образца становится совершенно ясным, — говорит Дж. Острайкер из Принстонского университета, один из ученых, кто вплотную занимался обработкой и интерпретацией данных с «СОВЕ». — Вот «СОВЕ» и обнаружил своего рода ископаемые остатки».

«Ископаемые остатки» — это вариации интенсивности слабого микроволнового излучения Вселенной. Считают, что эти вариации связаны с первичными флуктуациями, которые могли послужить зародышами для образования галактик и их скоплений. Открытия, сделанные с помощью «СОВЕ», дают важные свидетельства в пользу теории Большого взрыва (Земля и Вселенная, 1983, № 2, с. 8. — Ред. ). Одновременно они опровергают большинство существующих моделей образования Вселенной, но ученые не считают это большой потерей: не найди «СОВЕ» флуктуации, все современные теории оказались бы несостоятельными. Спутник «СОВЕ», запущенный в 1989 г., задуман около 20 лет назад учеными Годдардовского центра космических исследований NASA для точных измерений фонового излучения. Комплекс установленных на его борту дифференциальных микроволновых радиометров в течение последних двух лет использовался при поиске отклонений интенсивности микроволнового фона от однородности. Среди астрономов ходили разные слухи о результатах экспериментов, пока Дж. Смут с коллегами не подвели итоги своих исследований на годичном собрании Американского физического общества. Это официальное сообщение положило начало новому витку научных дебатов. Реальны ли эти результаты? Что они означают для космологов?
Так расположены флуктуации микроволнового излучения на небесной сфере по данным спутника «СОВЕ». Оранжевые области имеют температуру выше, синие — ниже средней. Как полагают специалисты, эти вариации отражают неоднородность распределения вещества во Вселенной сразу после ее рождения. Такие первичные конденсации материи могли сыграть роль зародышей для образования сложной картины наблюдаемых в современную эпоху скоплений галактик

С тех пор как в 1964 г. микроволновое фоновое излучение было открыто А. Пензиасом и Р. Вильсоном, оно служит критерием для проверки любой космологической теории (Земля и Вселенная, 1992, № 3, с. 8. — Ред.). Сначала ученых озадачило то, что их антенна принимала таинственное однородное микроволновое излучение, своеобразный «шум», приходящий со всех направлений, но тщательно проанализировав и обсудив проблему с коллегами, они поняли: в разработанной к тому времени стандартной космологической модели предсказывается именно такое изотропное распределение микроволнового излучения (за это открытие Пензиас и Вильсон удостоены Нобелевской премии) (Земля и Вселенная, 1979, № 6, с 45. — Ред.).

Теоретики считают, что такого рода реликт остался от эпохи начала расширения Вселенной из сингулярного состояния. В то время Вселенная состояла из очень горячего непрозрачного конгломерата заряженных частиц и излучения. Когда температура упала до 3000 К (300 тыс. лет спустя после начала расширения), протоны рекомбинировали с электронами и образовали прозрачный для излучения нейтральный водород. С тех пор вещество и излучение разделились и пошли разными путями. В современную эпоху излучение остыло до температуры 2,74 К, столь низкой, что все химические элементы, кроме гелия, должны были бы находиться в твердом состоянии.

Одна из главных целей программы «СОВЕ» — проверка этой космологической теории путем измерения спектра микроволнового фона. В простейшей версии теории расширяющейся Вселенной предсказывается, что излучение горячей ранней Вселенной должно иметь спектр, подобный известному из теоретической физики спектру излучения абсолютно черного тела. В 1990 г. Дж. Мазер и члены его группы представили полученный приборами «СОВЕ» микроволновый спектр на собрании Американского астрономического общества. Как и ожидалось, он оказался очень похож на кривую излучения абсолютно черного тела.

Новые данные «СОВЕ» помогают решить еще более запутанную проблему. Последние три десятилетия космологи безуспешно искали вариации излучения, причиной появления которых могли бы быть, по предсказанию теории, неоднородности в первозданной Вселенной. Одновременно астрономы-наблюдатели уточняли представления о масштабе и сложности космических структур. С помощью обзоров были выявлены огромные слои и цепи галактик, самые крупные из которых простираются в поперечнике примерно на 300 млн св. лет (0,03 радиуса Вселенной). Наблюдатели обнаружили такие далекие галактики и квазары, которые должны были образоваться всего лишь через 1 млрд лет после Большого взрыва.

Для возникновения столь огромных объектов веществу в ранней Вселенной вовсе не обязательно нужно быть сильно «скученным» — гравитация усиливает любые неоднородности. Области с плотностью чуть выше средней сжимаются, объем, занимаемый более разреженными областями, растет. Тем не менее некоторые неоднородности в первичной Вселенной должны были существовать с первых моментов ее жизни, чтобы мог начать действовать механизм гравитационного усиления.

В местах скучивания вещества локальное усиление гравитации отбирает энергию от получаемых фотонов, поэтому фоновое излучение этих областей должно казаться относительно «холодным», а пустоты, т. е. области с низкой плотностью — более «теплыми». Поэтому зарождающиеся структуры проявляются на микроволновом небе в виде пятен, которым соответствуют разные температуры.

Однако приборы для измерения микроволнового фона, чувствительность которых росла год от года, продолжали показывать абсолютно однородное излучение. Теоретики предупредительно подгоняли свои модели к малым начальным флуктуациям плотности вещества, хотя и знали при этом, что когда-то отсутствие неоднородностей температуры приведет стандартную космологическую модель к роковому концу. Установленные на «СОВЕ» точные приборы, кажется, спасли теорию. Обнаруженные флуктуации отклоняются от средней температуры неба всего на 1/300 000 — почти на пределе чувствительности приборов «СОВЕ». Карта микроволнового неба искажена шумами. Примерно 2/3 представленных на карте данных — инструментальный шум от радиометров «СОВЕ» или от неизвестных близких источников, а не следы новорожденной Вселенной. Некоторые сигналы достоверны, но ученые еще не готовы сказать, которые из них. Нельзя быть уверенным, что, глядя в какую-нибудь точку на карте, можно убежденно заявить: «это — флуктуация». Только с помощью математического анализа, например, статистического усреднения, возможно доказать, что некоторые пятна имеют неинструментальное происхождение.

Данные с борта спутников «Прогноз-9» (а) и «СОВЕ» (б) свидетельствуют, что излучение Галактики доминирует на «микроволновом небе». Яркая полоса — наш Млечный Путь. Хорошо видна крупномасштабная анизотропия фонового излучения, выступающая в виде клочковатых структур


Такая неоднозначность вызвана чрезвычайной трудностью объяснить сейчас природу каждого источника микроволнового излучения, и, весьма вероятно, не являющегося источником фона. Пример — наша Галактика, излучающая мощный поток микроволнового излучения, который ученым, работающим в группе «СОВЕ», пришлось вычесть из своих данных, чтобы обнаружить фоновый сигнал. Другие галактики и горячие газовые облака в скоплениях галактик также излучают в микроволновом диапазоне, усложняя задачу отделения малых температурных флуктуации от фона. Поэтому астрономы проверили, не совпадают ли зарегистрированные «СОВЕ» сигналы с локализацией известных сравнительно близких соседних скоплений галактик. Оказалось, что совпадение отсутствует.

Некоторые астрономы относятся к результатам «СОВЕ» весьма скептически. Дж. Хукра из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, играющий роль «адвоката дьявола», предполагает, что обнаруженные микроволновые флуктуации могли быть порождены расположенными неподалеку объектами неизвестного класса, а не первичными вариациями плотности вещества в молодой Вселенной.

И все же большинство космологов принимают результаты «СОВЕ» и пытаются понять их скрытый смысл. В наибольшем проигрыше оказались теории, в которых плотные высокоэнергетические дефекты поля служат ядрами для образования галактик. В таких теориях предсказывается существование нескольких очень интенсивных температурных флуктуаций, не зарегистрированных «СОВЕ».

Выиграли от результатов «СОВЕ» лишь сторонники теории расширяющейся Вселенной. Согласно ее постулатам, вскоре после рождения Вселенная прошла через короткую фазу (10-32 с), в ходе которой она расширилась в 1030 раз. Это объясняет, например, почему температура микроволнового фонового излучения изотропна и почему плотность Вселенной близка к критическому значению, при котором расширение в конце концов должно смениться сжатием. Во время фазы расширения местные температурные неоднородности «раздувались» и сглаживались, при этом геометрия пространства стала плоской (что характерно для критической плотности) независимо от начальной геометрии. Кроме того, инфляция «запускает» механизм образования космических структур.
Спутник «Прогноз-9»




Спутник «СОВЕ»

В эти первые мгновения ничтожно малые флуктуации квантовой энергии увеличились вместе с остальной Вселенной и превратились в макроскопические области повышенной плотности. Такие области в ходе эволюции могут стать скоплениями или сверхскоплениями галактик.

Инфляционная модель предсказывает, что распределение областей повышенной плотности не зависит от масштаба, т. е. картина вариаций качественно должна выглядеть одинаково в разных угловых масштабах. «СОВЕ» как раз зарегистрировал такое распределение горячих и холодных пятен на небе. Однако некоторые ученые отмечают, что хотя эти результаты и согласуются с инфляционной моделью, но вовсе не доказывают ее.

Независимо от выбранной космологической модели данные «СОВЕ» не разрешают всех вопросов. Обнаруженные температурные флуктуации ничтожно малы: всего около 1/100 000 от уровня фона. Другие измерения показали, что флуктуации на меньших угловых масштабах также чрезвычайно малы. Едва ли такие слабые неоднородности могли породить плотные с четкой структурой галактики всего за 1 — 2 млрд лет после рождения Вселенной. Конденсация обычного вещества в плотные структуры не может начаться до тех пор, пока Вселенная не станет прозрачной для излучения. Но даже и тогда вещество будет слишком сильно нагреваться излучением, чтобы быстро конденсироваться в галактики.

Для преодоления этой трудности выдвинули предположение, что Вселенная содержит еще одну невидимую компоненту — холодное темное вещество (Земля и Вселенная, 1991, № 4, с. 3. — Ред.), которое скучивается гораздо быстрее. Его существование хорошо согласуется с инфляционными моделями.

Чтобы ненаблюдаемое вещество способствовало образованию галактик, оно должно состоять из частиц, которые не взаимодействуют с электромагнитным излучением (небарионное вещество), т. е. это не протоны, нейтроны и электроны. Теоретики предложили длинный список «кандидатов» в такие частицы, но эксперименты в области физики высоких энергий исключают их одну за другой, существование ни одной из них пока не было подтверждено.

Кроме того, расчеты теоретиков показывают: Вселенная с критической плотностью, состоящая только из обычного вещества, имела бы химический состав, сильно отличающийся от наблюдаемого. Изучение крупномасштабных движений галактик также свидетельствует о том, что во Вселенной преобладает небарионное темное вещество. И если теоретикам придется оставить надежду на таинственные частицы, они должны будут придумать другой механизм, который способствовал бы быстрому образованию галактик. Правда, привлекая для объяснения холодное темное вещество, теоретики столкнулись и с другими проблемами. Некоторые космологические модели, где фигурирует холодное темное вещество, объясняют существование больших скоплений и сверхскоплений галактик, другие — образование отдельных галактик. Но ни одна не может объяснить то и другое одновременно.

Две карты небесной сферы, составленные по данным «Прогноэа-9» (а) и «СОВЕ» (б). Разница температур между самыми теплыми и самыми холодными областями неба (светлыми и темными на карте «Прогноза» и красными и голубыми — на карте «СОВЕ») составляет около 1 К. Эта разница температур, называемая анизотропным диполем, доказывает, что Местная Группа галактик вместе с Солнцем действительно движется в пространстве со скоростью около 500 км/с. Собственное излучение Галактики с изображения удалено. На карте «Прогноза» вблизи центра выделяется яркое образование — ядро Галактики


Естественно, этими теориями не ограничивается арсенал теоретиков, да и не исключено, что будут открыты и другие, совершенно новые механизмы.

За три десятилетия после открытия микроволнового фонового излучения космология ушла далеко вперед. Но судьба современной космологии не в меньшей степени будет зависеть от более детальных измерений микроволнового фона. Из-за широкого поля зрения приборов на борту «СОВЕ» (около 7°) мельчайшие наблюдаемые детали соответствуют образованиям, размеры которых превосходят самые крупные скопления галактик. Разбиение микроволнового неба на более мелкие (порядка минут дуги) области даст более точную информацию о возникновении современных галактик и их скоплений. Такие исследования проводятся уже на протяжении многих лет, но астрономам еще предстоит найти какие-то неоднородности в температуре неба.

Теперь, когда данные «СОВЕ» позволили определить величину температурных вариаций, исследователи смогли установить, какой должна быть чувствительность разрабатываемых экспериментов.

Ученые группы «СОВЕ» не почивают на лаврах, обещая, что к моменту завершения программы «СОВЕ» (1994 г.) микроволновые измерения будут содержать гораздо меньше «шума».

Можно только догадываться, какой станет космология после предстоящих ей потрясений. «Каждое поколение думает, что именно оно может дать ответ, и каждое поколение терпит фиаско», — размышляет Любин, один из членов группы «СОВЕ». Хотя измерения на «СОВЕ», по-видимому, усилили теорию «инфляция плюс холодное темное вещество», но и это величественное здание дало трещину.

Недавние наблюдения скорости расширения Вселенной свидетельствуют о том, что присутствующая в инфляционных моделях Вселенная оказывается моложе входящих в нее объектов, и сейчас космологи рассматривают еще один компонент (вполне логично называемый горячим темным веществом) для укрепления рушащегося здания.

Распределение излучающей тепло пылевой материи в нашей Галактике, зарегистрированное прибором «IRAS» спутника «СОВЕ». Яркая полоса — Галактика. Обратите внимание на пылевой выброс, поднимающийся над ее плоскостью в центре

Почти никто не сомневается в справедливости стандартной космологической модели. Но с другой стороны, никто не знает, как установить прямую связь между условиями, преобладавшими в момент рождения Вселенной, и современной эпохой. Один из виднейших авторитетов в этой области науки, Дж. Острайкер, клеймит тех, «кто обращается с космологией, как с теологией, в которую вы должны верить. Это наука! Вселенной потребовались миллиарды лет, чтобы «написать историю творения». Без сомнения, человек не прекратит попытки прочесть эту историю.

По просьбе редакции статью К. Пауэлла комментирует доктор физико-математических наук И. А. Струков (ИКИ РАН)

Современная космология переживает в настоящее время стадию бурного развития: продолжающаяся революция в технике позволила резко расширить возможности исследований, особенно после выноса измерительной аппаратуры за пределы земной атмосферы. В результате ученые смогли получить принципиально новые данные.

Космос — огромная лаборатория, в которой можно исследовать процессы, протекающие при чудовищно высоких температурах и энергиях порядка 1016 ГэВ, совершенно недоступных для наземных лабораторий. Это привлекло в космологию множество ученых, занимающихся физикой элементарных частиц. Самой характерной чертой современного этапа развития этой науки выступает многоплановость исследований, объединение усилий физиков различных специальностей.

Статья «Золотой век космологии» посвящена обсуждению результатов последних экспериментов, выполненных американскими учеными с борта ИСЗ, в частности, той их части, которая касается крупномасштабной анизотропии реликтового излучения.

В свое время видный американский ученый П. Дж. Пиблс выделил четыре основных предмета исследований, которые, по его мнению, смогут углубить наши знания в области космологии:

— анизотропия реликтового излучения;

— галактики с большим красным смещением и классические космологические тесты;

— крупномасштабное распределение и движение материи;

— природа и количество темного вещества.

Разработка этих проблем и стала основной целью современных теоретиков, а в последние годы и практиков-космологов.

Необходимо подчеркнуть, что в экспериментальном исследовании крупномасштабной анизотропии Россия занимает лидирующее положение, основой которого стал огромный вклад школы академика Я. Б. Зельдовича. И вполне закономерно, что именно в нашей стране впервые было найдено практическое доказательство правоты теоретиков.

Так, в ходе эксперимента «Реликт-1» на околоземную орбиту был запущен спутник «Прогноз-9» с радиотелескопом на борту, поле зрения которого составляло 6,7°. Для однократного картографирования небесной сферы потребовалось полгода, и в дальнейшем многие участки неба были исследованы еще не раз (Земля и Вселенная, 1984, № 4, с. 8. — Ред.). Тогда же была впервые получена карта небесной сферы в диапазоне длин волн 8 мм с угловым разрешением 5,8° и температурным разрешением 0,4 мК. Глядя на эту карту, мы можем теперь уверенно сказать: крупномасштабная анизотропия излучения доказана. Это открытие было обнародовано в январе 1992 г. на Московском астрофизическом семинаре.

Как же выглядело небо в микроволновом спектре? Одна полусфера неба оказалась чуть более горячей, чем другая. Этот эффект вызван тем, что Солнечная система движется относительно фонового излучения. В соответствии с законом Доплера, излучение, приходящее с той стороны, куда движется Земля, должно быть более коротковолновым, т. е. более теплым.

Помимо диполя на изображении оказалась отчетливо заметна полоса излучения, приходящая из плоскости галактического экватора и, очевидно, связанная с нашей Галактикой.

Отделив же излучение фона от излучения Галактики, которое также оказалось довольно сильным, а затем и от самой дипольной компоненты, мы смогли, наконец, обнаружить следы клочковатых структур, которые, в том случае, если справедливы оптические наблюдения, как полагали теоретики, должны остаться после фазы взрывного расширения ранней Вселенной. Это, действительно, выдающееся достижение отечественной космологии, серьезнейшим образом повлиявшее на наше восприятие мира.

А как ведут свои исследования американские ученые? На борту спутника «СОВЕ» было установлено три научных прибора, каждый из которых предназначен для изучения неба в своем диапазоне длин волн. Два из них, называемые «Абсолютный спектрофотометр далекой инфракрасной области» (Far Infrared Absolute Spectrophotometer, FIRAS) и «Эксперимент по изучению рассеянного излучения» (The Diffuse Infrared Background, DIRBE), установлены в криостате, наполненном жидким гелием с температурой 1,5° К, что позволило выполнять измерения на них с очень высокой точностью, избавившись от значительной части тепловых шумов. FIRAS предназначен для изучения небесной сферы в дальней ИК-области, a DIRBE — для картографирования неба на десяти разных длинах волн в инфракрасной области спектра.

С помощью этих двух инструментов американским ученым удалось получить замечательные результаты: с прибором FIRAS уточнена температура фонового излучения, оказавшаяся равной 2,735 К. Это подтвердило, что наблюдавшийся в ряде баллонных и ракетных экспериментов рост температуры с увеличением длины волны от 1 мм, вносивший хаос в построения теоретиков, которые предсказывали неизменность этой температуры, не относится к фоновому излучению. Прибор DIRBE позволил иметь достаточно полную картину распределения межпланетных, галактических и внегалактических источников.

С помощью третьего прибора, комплекса «Дифференциального микроволнового радиометра» («Differential Microwave Radiometer», DMR), американские специалисты получили результаты, вполне подтверждающие данные российских ученых, — измерена дипольная составляющая, обнаружены флуктуации фона.

Как же соотносятся результаты экспериментов «Реликт-1» и «СОВЕ» (в той их части, где они пересекаются)? Действительно, и наш и американский эксперименты выявили флуктуации фонового излучения, но, хотя по величине они в пределах погрешности измерений довольно близки, однако по пространственному расположению корреляция отсутствует. Чем можно объяснить такое расхождение?

Дело, видимо, в том, что выбранная для «СОВЕ» солнечно-синхронная орбита не может считаться оптимальной для таких наблюдений. Если судить по появившимся публикациям, основным источником погрешностей в данных «СОВЕ» стали не собственные шумы аппаратуры, а воздействие на них магнитного поля Земли.

Несмотря на превосходную чувствительность радиометров, американским исследователям пришлось проделать воистину титанический труд, чтобы уменьшить систематические погрешности. Удалось ли им убрать их полностью?

Американские ученые считают, что да. Мой же анализ опубликованных данных эксперимента «СОВЕ» и сравнение их с результатами нашего эксперимента показывают, что в данных «СОВЕ», по-видимому, остаются существенные систематические погрешности, после устранения которых хорошая корреляция между данными двух экспериментов становится очевидной.

Кроме некоторого противоречия с данными эксперимента «Реликт-1», результаты «СОВЕ» противоречат наблюдениям в оптическом диапазоне и итогам наземных исследований мелкомасштабной анизотропии. Я надеюсь, что после устранения систематических погрешностей данные эксперимента «СОВЕ» еще в большей степени подтвердят результаты «Реликта-1». Но все же, не стоит забывать, что чувствительность обоих экспериментов все еще недостаточна для завершения исследований в этом направлении.

В настоящее время в ИКИ РАН ведутся испытания аппаратуры проекта «Реликт-2» (его реализация намечается на 1994 — 95 гг.), чувствительность которой уже сейчас в 10 раз лучше чувствительности эксперимента «СОВЕ», а мы надеемся ее повысить еще в два раза. Будет использована уникальная орбита с выводом спутника в точку Лагранжа-2, расположенную в антисолнечном направлении на расстоянии 1,5 млн. км от Земли. Все это создаст необходимые условия для исследований.