В каждой точке неба к Земле приходит древний свет с температурой всего 2,7 кельвина. Он был испущен раньше первых звёзд и старше любой галактики, которую мы видим. Это не звук Большого взрыва, а его остывшая световая фотография.
1. Когда Вселенная была непрозрачной
В первые сотни тысяч лет космос был заполнен горячей плазмой из ядер, электронов и фотонов. Свободные электроны постоянно рассеивали свет, поэтому фотон не мог лететь далеко по прямой. Вселенная была похожа не на прозрачное ночное небо, а на светящийся густой туман.
Расширяясь, она остывала. Примерно через 380 тысяч лет температура упала достаточно, чтобы электроны связались с ядрами и образовали нейтральные атомы. Этот этап называют рекомбинацией, хотя электроны тогда соединились с ядрами впервые.
После исчезновения большинства свободных электронов фотоны смогли распространяться почти свободно. Именно эти фотоны и наблюдаются сегодня как космический микроволновый фон, или реликтовое излучение. Они показывают не сам момент начала, а более позднюю поверхность последнего рассеяния.
2. Почему горячий свет стал холодным
При освобождении из плазмы излучение имело температуру около 3000 кельвинов и находилось в видимой и инфракрасной области. За миллиарды лет пространство расширилось более чем в тысячу раз. Вместе с ним растянулись длины волн фотонов.
Энергия каждого фотона уменьшилась, и спектр сместился в микроволновый диапазон. Сегодня средняя температура фона составляет примерно 2,725 кельвина, то есть лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Излучение приходит со всех направлений почти одинаково.
Слово «температура» не означает, что пустой космос повсюду можно потрогать термометром как воздух. Речь идёт о спектре излучения, который почти идеально совпадает со спектром абсолютно чёрного тела такой температуры. Спутник COBE измерил эту форму с исключительной точностью.
3. Как случайная помеха стала открытием
В середине XX века горячая модель Большого взрыва уже предсказывала оставшееся тепловое излучение. В 1964–1965 годах Арно Пензиас и Роберт Уилсон настраивали рупорную радиоантенну Bell Labs и обнаружили устойчивый лишний шум, приходивший со всех направлений.
Они тщательно проверили аппаратуру и даже удалили загрязнение, оставленное поселившимися в антенне голубями. Шум не исчез. Одновременно группа Роберта Дикке в Принстоне готовилась искать именно космический микроволновый фон, и связь двух работ быстро прояснила природу сигнала.
За открытие Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию 1978 года. Но история была коллективной: теоретические предсказания появились раньше, а последующие приборы превратили общий шум в точную карту ранней Вселенной.
4. Пятна, из которых выросли галактики
На грубой карте фон почти однороден. После удаления влияния движения Солнечной системы и излучения Млечного Пути остаются крошечные температурные пятна с разницей порядка стотысячных долей. Они отражают различия плотности и состояния плазмы в молодой Вселенной.
Спутники COBE, WMAP и Planck измеряли эти неоднородности всё точнее. По размеру и статистике пятен учёные определяют возраст космоса, его геометрию, доли обычного вещества и тёмной материи, а также свойства начальных возмущений. Из чуть более плотных областей со временем выросли галактики и скопления.
Иногда говорят, что часть «снега» на экране старого аналогового телевизора была эхом Большого взрыва. Некоторая доля принятого антенной шума действительно могла иметь небесное происхождение, но точный процент зависел от телевизора, антенны и местных помех. Реликтовое излучение не следует путать со всем телевизионным шумом.
5. Что говорит наука
Подтверждено: реликтовое излучение имеет почти идеальный тепловой спектр с температурой около 2,725 кельвина и приходит почти со всего неба. Его существование, спектр и неоднородности независимо измерены наземными приборами, воздушными экспериментами и космическими миссиями.
Наиболее успешное объяснение — это свет, отделившийся от вещества примерно через 380 тысяч лет после начала горячей космологической стадии. Его свойства согласуются с расширяющейся Вселенной и первичным образованием лёгких элементов. Вместе эти линии данных сделали горячий Большой взрыв основной научной моделью.
Исследования продолжаются вокруг тонких деталей: поляризации фона, возможных следов инфляционных гравитационных волн и отдельных крупномасштабных аномалий. Пока ни одна из них не опровергла общую картину, но они помогают проверять физику самых ранних эпох.
6. Итог
Что же такое реликтовое излучение? Это не звук взрыва и не свет из одной точки, а растянувшийся и остывший свет всей молодой Вселенной. В его слабых пятнах уже был записан будущий рисунок галактик.
Поделитесь в комментариях, удивило ли вас, что древнейшая космическая фотография окружает нас со всех сторон.
