Глава 5. Реликтовое излучение и теория горячей Вселенной

§5.3. Вещество и излучение в горячей расширяющейся Вселенной

В этом разделе мы пойдем в обратном направлении: зная, что в прошлом вещество Вселенной было плотным и горячим, мы придем к выводу о необходимости существования реликтового излучения.

Согласно теории Гамова, развитой им вместе со своими учениками Р.Альфером и Р.Херманом, в начале существования Вселенной вещество было нагрето до очень высокой температуры и представляло собой очень плотный ионизированный газ (плазму). Существование заметного количества нейтральных атомов тогда было невозможно, поскольку энергия их теплового движения была так велика, что при взаимных столкновениях они неминуемо распадались бы на свои составные части — ядра и электроны.

Помимо ядер и электронов, в горячей и плотной плазме должно присутствовать электромагнитное излучение. Связано это с тем, что при пролете друг мимо друга электрически заряженные частицы (электроны и ионы) испытывают, в соответствии с законом Кулона, сильное ускорение. Но из электродинамики следует, что ускоренно движущаяся заряженная частица излучает электромагнитные волны. Это излучение носит название свободно-свободного, поскольку оно возникает при взаимодействии свободных (не связанных в атомы) частиц.

С другой стороны, электромагнитное излучение в плазме должно поглощаться. Действительно, представим себе взаимодействие свободного электрона с электромагнитной волной. В поле этой волны электрон испытывает ускорение. Это означает, что часть энергии электромагнитных волн переходит в кинетическую энергию электронов. Правда, двигаясь ускоренно, электрон тотчас излучает другую электромагнитную волну, поле которой добавляется к полю исходной волны. Со стороны это будет выглядеть так, что фотон (квант энергии электромагнитного поля) сильно меняет направление своего распространения. В честь открывшего это явление физика оно называется рассеянием Томсона. Следствием рассеяния является тот факт, что плазма на ранних стадиях расширения Вселенной является непрозрачной: фотон, испущенный в какой-либо точке А в направлении точки В, с подавляющей вероятностью не достигнет точки В (рис. 5.3.1).

Таким образом, в горячей плазме есть два конкурирующих явления: излучение и поглощение света. Преобладал ли в расширяющейся Вселенной один из них или они были взаимно уравновешены? Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить о важнейшем понятии термодинамики — тепловом (термодинамическом) равновесии.

Представим себе теплоизолированный сосуд, наполненный каким-либо веществом (газом, плазмой, излучением). Пусть в некоторый начальный момент времени частицы этого вещества обладают произвольным распределением по энергии, их концентрация и средняя энергия сильно меняются от точки к точке. Основное утверждение термодинамики заключается в том, что, каково бы ни было начальное состояние вещества в сосуде, через какое-то время (называемое временем релаксации) его содержимое придет к состоянию теплового равновесия, характеризуемого тем, что распределение частиц газа или плазмы по энергии подчиняется закону Максвелла-Больцмана, спектр излучения (зависимость энергии от частоты) — закону Планка, плотность и температура в каждой точке одинакова, все направления движения атомов, электронов, ионов и фотонов равновероятны. Если в сосуде есть два различных рода веществ, их температуры в тепловом равновесии одинаковы. Если в сосуде установилось тепловое равновесие, оно будет существовать там вечно, если только оно не будет нарушено каким-либо внешним воздействием. Поэтому в термодинамически равновесной плазме процессы испускания и поглощения фотонов должны полностью уравновешивать друг друга.

Применимо ли понятие теплового равновесия к плазме, заполнявшей расширяющуюся Вселенную в начале ее существования? Ответ на этот вопрос положителен, если время релаксации много меньше возраста Вселенной, поскольку только в этом случае плазма успеет достигнуть равновесного состояния. Расчеты показывают, что в ранней Вселенной это неравенство выполнялось с огромным запасом. Отсюда следует вывод, что в космологической плазме должно было существовать излучение с планковским спектром (спектром абсолютно черного тела). Впервые это было установлено Гамовым и его учениками.

С течением времени смесь плазмы и излучения расширяется и остывает. Примерно через 300 тыс. лет после начала расширения вещество остывает до температуры T~3000 K, при которой тепловое движение и удары высокоэнергичных фотонов уже не в состоянии препятствовать образованию атомов. Тогда плазма превращается в обыкновенный нейтральный газ (это явление называется рекомбинацией). Вещество, состоящее из нейтральных атомов, почти прозрачно для излучения, поэтому фотоны, испущенные в момент рекомбинации, движутся по прямым линиям (cм. рис. 5.3.1) и свободно доходят до земного наблюдателя. По принципу “чем дальше — тем моложе” момент рекомбинации соответствует границе области Вселенной, прорзрачной для излучения (эта граница еще называется поверхностью последнего рассеяния). Красное смещение поверхности последнего рассеяния z~1000.

Поэтому реликтовое излучение несет информацию о Вселенной, какой она была в возрасте, составлявшем всего около 0.002% нынешнего. При движении света в расширяющейся Вселенной его температура постоянно падает (из-за красного смещения) и в настоящее время она составляет только около 3 K. Существование реликтового излучения с почти идеально планковским спектром, предсказанное Гамовым и его учениками, является еще одним (после предсказания расширения Вселенной Фридманом и Леметром) блестящим примером научного предвидения в космологии.