Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Возьмем в качестве примера горячего предмета электроплиту. Она состоит из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы никогда не стоят на месте — они вибрируют. Если включить плиту, то температура поднимется. Тот факт, что температура повышается, просто означает, что атомы и молекулы начинают вибрировать немного сильнее. Чем выше температура, тем активнее вибрация. Очевидно, что атомы и молекулы в электроплите состоят из обычного вещества и содержат электрические заряды.

И когда электрические заряды вибрируют, они излучают электромагнитные волны. Чем выше температура, тем быстрее вибрация. Чем быстрее вибрация, тем короче электромагнитные волны. Холодная плита излучает волны в инфракрасной части спектра, то есть волны, чересчур длинные для восприятия нашими глазами. Но, если вы нагреете плиту достаточно сильно, она начнет светиться красным. Горячие массивные атомы и молекулы станут излучать больше коротковолнового видимого света. И если вам удастся нагреть плиту еще сильнее, то в конечном итоге она будет излучать голубоватый свет, то есть еще более короткие волны. Впрочем, тут полагается сказать: «Трюк выполнен профессионалами, не пытайтесь повторить это дома».

Так что давайте вместо поджога кухни проведем небольшой мысленный эксперимент. Представим, что мы бензопилой отрезали от плиты конфорку и отправили ее на машине времени назад к рождению Вселенной. Сегодняшняя Вселенная холодная, и плита в свободном плавании излучала бы длинные микроволны. Но по мере приближения к Большому взрыву температура будет расти. Во Вселенной, которой около полумиллиона лет, плита станет такой же раскаленной докрасна, как в довольно рискованном эксперименте на кухне. Если мы отправим электроплиту еще дальше, то она совсем скоро посинеет от температур и испарится, превратившись в газ. В какой-то момент температура будет настолько высокой, что атомы, когда-то образовывав шие плиту, растворятся. Положительно заряженные ядра атома больше не смогут удерживать электроны. И каждый раз при попытке электрона образовать пару с ядром атома для создания нейтрально заряженного атома короткая вспыльчивая электромагнитная волна вмешивается и отбрасывает электрон в сторону.

Газ, в котором электроны и ядра атомов больше не взаимодействуют, называется плазмой. Первые 380 000 лет после Большого взрыва наша Вселенная состояла именно из такой теплой плазмы. Тогда ядра атомов наполняли легчайшие из существующих элементов: водород и гелий. Большинство других элементов вокруг нас, таких как кислород, углерод, азот и железо, образовались позже, в ядерных реакциях в звездах. Но в течение первых 380 000 лет не было ни звезд, ни галактик, ни даже атомов — только теплый суп из плазмы, а варились в нем электроны и ядра водорода и гелия.

(Первые три минуты было так жарко, что не могли существовать даже ядра атомов. Но мы вернемся к этому позже.)

Такая плазма ведет себя абсолютно не как газ. В плазме электроны в свободном плавании захватывают любую электромагнитную волну, которая пытается каким-то образом хоть куда-то пройти. Немного похоже на металлическую сетку на дверце микроволновой печи. В металле есть электроны, способные свободно перемещаться, как в плазме. Таким образом, электроны в металлической решетке смогут захватывать микроволны, чтобы те не выбрались из печи, цапнув вас за нос, пока вы наблюдаете за лопающимся попкорном. Отверстия в микроволновке сделаны так, что пройти может только видимый свет, а более длинным микроволнам никак не выбраться. В плазме молодой Вселенной все электромагнитное излучение задерживалось электронами горячей плазмы. Итак, свет не мог распространяться свободно. Получается, первые 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была плотной и непрозрачной плазменной туманностью, а если точнее, первичной туманностью.

Но потом, спустя 380 000 лет, Вселенная охладилась достаточно для того, чтобы электроны получили возможность сливаться с ядрами атомов и образовывать стабильные изотопы. Исчезли свободные электроны, поглощавшие все электромагнитные волны. Туман рассеялся, и теперь ничто уже не стояло на пути у световых волн. Многие из этих электромагнитных волн и по сей день беспрепятственно путешествуют по Вселенной. Нас постоянно бомбардируют электромагнитные волны, образовавшиеся, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Именно такие волны попадали в рупорную антенну в Холмдейле в 1964 году, независимо от того, куда поворачивали ее Пензиас и Уилсон. Это и было реликтовое излучение.

Если собрать реликтовое излучение со всех уголков неба, то мы увидим портрет Вселенной в младенчестве, когда ей было всего 380 000 лет.

Ну а если вы сегодня не в духе и заметите, что младенец, которому 380 000 лет — это ерунда какая-то, то не стоит забывать, что сейчас Вселенной около 14 миллиардов лет. Допустим, Вселенная сегодня — это седеющий пятидесятилетний человек. Реликтовое излучение сформировалось, когда сегодняшнему пятидесятилетнему человеку исполнилось полдня. Ну а теперь-то Вселенная уж точно не младенец.

Совсем запутались? Не вы один. С тем, что реликтовое излучение образовалось через 380 000 лет после Большого взрыва, когда первичная туманность рассеялась, мы разобрались. Возникает другой вопрос: почему это излучение доходит до нас еще и сегодня, спустя столько лет? И почему со всех сторон?

Ответ на первый вопрос, почему излучение доходит до нас сегодня, заключается в том, что, наблюдая за Вселенной, мы будто мчимся на огромной машине времени. Эффект машины времени возникает из-за того, что свет, о котором идет речь, движется не бесконечно быстро. Ему требуется восемь минут, чтобы добраться от Солнца до нас, поэтому, если мы посмотрим на Солнце (не стоит, это опасно для глаз!), мы увидим Солнце таким, каким оно было восемь минут назад. Перемещаемся на восемь минут назад! Когда мы смотрим на галактику Андромеды, мы смотрим на то, что было 2,5 миллиона лет назад. Когда Фриц Цвикки посмотрел на галактики в скоплении Кома, он увидел свет, излучавшийся 300 миллионов лет назад.

Самые отдаленные из известных нам галактик расположены настолько далеко, что, вероятно, нам транслируется изображение с момента, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. Получается, мы перемещаемся назад на 13 миллиардов лет. Что мы увидим, если попытаемся заглянуть еще дальше в прошлое? Ничего, совсем ничего. Если заглянуть в самую глубь Вселенной, то мы окажемся в настолько далеком прошлом, что тогда и галактик еще не было. Кругом пустота. Но если посмотреть еще дальше, кое-что все же произойдет: мы внезапно наткнемся на стену электромагнитного излучения, реликтового излучения, край поверхности последнего рассеивания, образ Вселенной в младенчестве. Сталкиваясь с реликтовым излучением, мы видим части космоса, которые настолько далеки, что электромагнитные волны едва успели достичь нас за время, прошедшее с момента рассеяния первичной туманности. И некоторые из этих волн достигают астрономических приборов, позволяющих их измерить и нанести на карту Вселенной-младенца.

Почему же реликтовое излучение доходит до нас равномерно со всех сторон? Совершить путешествие на машине времени прямо к Большому взрыву — это, конечно, круто, но разве излучение не должно исходить из одной конкретной части неба по направлению к самому взрыву?

Этот очевидный парадокс решается просто: Большой взрыв произошел не в какой-то одной определенной точке. Это не взрыв с четким центром, из которого, как искры новогодней петарды, разлетелись газ и галактики. Большой взрыв не был взрывом в пространстве, это было взрывное расширение пространства. Нечто происходящее одновременно повсеместно.

Расширение пространства? Именно так. После того как Альберт Эйнштейн просветил человечество своей общей теорией относительности в 1915 году, пришлось свыкнуться с тем, что пространство необязательно должно выглядеть как неизменный тетрадный лист.