§ 4. Открытие реликтового излучения

Первые теоретические оценки ожидаемой температуры реликтового излучения содержатся еще в работах Гамова и Алфера, выполненных в 50-х годах. Они указывали цифру около 5 К. Можно ли это излучение наблюдать на фоне электромагнитного излучения звезд и радиогалактик? В работе советского астрофизика А. Г. Дорошкевича и автора в 1964 г. было впервые конкретно рассчитано, насколько интенсивность реликтового излучения (если оно, конечно, есть) должна превышать в сантиметровой области спектра интенсивность излучения радиогалактик и других источников. Стала ясна возможность постановки решающего эксперимента по поискам реликтового излучения, от которого зависел выбор между горячей и холодной моделями Вселенной. Но эта теоретическая работа осталась незамеченной наблюдателями.

Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. сотрудниками американской компании "Bell" Пензиасом и Вилсоном при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдения спутника "Эхо". Они обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса, не зависящий от направления антенны. Дикке, Пиблс, Ролл и Вилкинсон сразу же дали космологическое объяснение измерениям Пензиаса и Вилсона, как доказательства горячей модели Вселенной. В это время Дикке и его сотрудники сами готовили аппаратуру для поисков радиофона от реликтового излучения на длине волны 3 см. Первые наблюдения Пензиаса и Вилсона были проведены на волне 7,35 см. Они показали, что температура излучения составляет около 3° абсолютной шкалы Кельвина. В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн от десятков сантиметров до долей миллиметра.

Наблюдения показали, что спектр излучения равновесный, как это и предсказывалось теорией горячей Вселенной. Он соответствует формуле Планка для равновесного излучения с температурой 2,7 К. На рис. 21 приведен весь спектр электромагнитного излучения в космосе от метровых радиоволн до ультрафиолетового излучения^*.

^* (Разумеется, это спектр излучения, который существует в среднем во Вселенной вдали от звезд и других источников.)

Рис. 21. Спектр электромагнитного излучения во Вселенной с реликтовым излучением

На метровых волнах излучают так называемые радиогалактики, о которых говорилось в § 3 гл. 1. В них есть мощные магнитные поля и энергичные электроны. Движение электронов в магнитных полях и вызывает радиоизлучение. В области видимого света излучают звезды, в инфракрасной области, вероятно, светит главным образом пыль, нагретая светом звезд. Возможны также другие источники инфракрасного излучения. Между этими двумя областями, радиоволнами и видимым светом (и инфракрасными источниками), находится область спектра, где господствует реликтовое излучение.

Интересно отметить, что первое проявление реликтового излучения астрономы обнаружили еще в 1941 г. Именно тогда астрофизик Мак-Келлар отметил, что радикалы циана наблюдаются в межзвездном газе в возбужденном вращательном состоянии, соответствующем температуре возбуждения около 2,3 К. Что возбуждает молекулы, тогда оставалось неясным. После открытия реликтового излучения И. С. Шкловский и независимо Филд, Вульф, Тадеуш и другие ученые объяснили это возбуждением молекул реликтовым излучением. Наблюдение соответствующих молекулярных линий в спектре CN помогло вычислить температуру реликтового излучения на волне λ ≈ 0,26 см.

Если измерять на одной и той же длине волны интенсивность реликтового излучения, приходящего к нам с разных направлений, то в пределах точности измерений она оказывается одинаковой. Точность измерения составляет десятые доли процента. Это обстоятельство является важным доказательством того, что расширение Вселенной происходит изотропно не только сейчас, но и в далеком прошлом, когда плотность вещества была в тысячи раз больше, чем современная. Ведь Вселенная сейчас практически прозрачна для реликтового излучения, и оно приходит к нам с огромных расстояний. Подробнее мы об этом скажем в § 8 гл. 3. Только для самых ранних стадий расширения остается возможность для Вселенной не подчиняться теории Фридмана!

Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.

Если подсчитать общее количество плотности энергии, которое сегодня содержится в реликтовом излучении, то его окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов:

(5)

Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10^-30 (^г/_см³) (см. гл. 1). Это значит, что, если бы мы "размазали" все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего 1 атом (напомним, что масса атома водорода - наиболее распространенного элемента Вселенной,- составляет около 10^-24 г). В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.

Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. В § 2 гл. 3 говорилось, что отношение числа квантов электромагнитных волн к числу тяжелых частиц характеризует энтропию Вселенной. В нашем случае это отношение равно^*

^* (Заметим, что число фотонов в единице объема известно из измерений хорошо, однако плотность обычного вещества, как мы видели в гл. 1, известна гораздо хуже. Поэтому отношение (6) численно может меняться в зависимости от уточнения плотности вещества, Так, если эта плотность равна ρ_крит, то S = 10⁸.)

(6)

Таким образом, энтропия Вселенной огромна. Отношение (6), как мы говорили, практически не меняется при эволюции Вселенной.

Открытие реликтового излучения является грандиозным достижением современной науки. Оно позволяет сказать, что на ранних стадиях расширения Вселенная была горячей. Предсказание реликтового излучения было сделано в рамках теории расширяющейся Вселенной, поэтому его открытие еще раз показывает правильность и плодотворность для космологии пути, указанного работами А. А. Фридмана.