Глава 6. Крупномасштабная структура Вселенной и ее происхождение

§6.6. Слабые отклонения от однородности фона реликтового излучения

Как уже было отмечено в §3.3, наблюдения с помощью современных телескопов позволяют установить, что с течением времени газ во Вселенной постепенно переходил в звезды, входящие в состав галактик. Это подтверждает общую картину процесса образования структуры Вселенной — гравитационной конденсации различных систем из газа. Долгие годы астрономы безуспешно искали следы тех древнейших неоднородностей, из которых, согласно теории, должны были появиться галактики и их системы. Поскольку в состав первичного звука, существовавшего еще до рекомбинации, входил наравне с веществом еще и свет, эти звуковые волны должны отпечататься в виде слабых неоднородностей в распределении реликтового излучения по небу. Эти неоднородности должны проявляться как пятна (флуктуации) с повышенной и пониженной температурой на карте микроволнового фона Вселенной. Специально для поисков этих флуктуаций в нашей стране и в США были запущены два спутника, оборудованные чувствительными радиоантеннами (эксперименты Реликт и COBE, соответственно). В начале 1992 года и российская, и американская группы, ведущие обработку информации с этих спутников, заявили об обнаружении флуктуаций микроволнового излучения с предсказанными свойствами; заметим, что для этого потребовалось создание радиотермометров, чувствительных к изменениям температуры в стотысячные доли градуса! Позднее это открытие было подтверждено и с помощью наземных приемов.

Несомненно, открытие флуктуаций реликтового фона является одним из выдающихся событий в науке в последние годы. Ведь обнаружены следы предков сегодняшних галактик и их скоплений, существовавших во Вселенной, когда ее возраст был не более миллиона лет. Если перевести время существования Вселенной в масштаб человеческой жизни, возраст этих прото-структур соответствует возрасту однодневного младенца! Кроме того, само существование этих флуктуаций подтверждает правильность теории Большого Взрыва — теории эволюции Вселенной в целом. Важность этого открытия обусловлена также тем, что флуктуации реликтового излучения несут в себе информацию о геометрии Вселенной.

Для того, чтобы количественно охарактеризовать флуктуации микроволнового фона, используют мультипольный момент l - число, показывающее, сколько раз флуктуации с данным угловым размером укладываются на небе. Например, на небе помещается две флуктуации с l=2. Угловой размер флуктуации и величина l связаны между собой приближенным соотношением Θ°≈200/l.

Например, флуктуации с l=2 соответвует угловой размер 100 градусов. На микроволновом небе можно выделить пятна разного углового размера, при этом каждому угловому размеру соотвествует свой характерный перепад температуры реликтового излучения. Основной вклад в анизотропию в больших угловых масштабах (более десяти градусов, l<20) вносит гравитационное красное смещения, заключающееся в том, что свет, исходящий из областей, где плотность материи выше средней, испытывает красное смещение, т.е. их излучение смещено в сторону больших длин волн. И наоборот, излучение из более разреженных областей испытывает синее смещение. До нас доходит только свет с поверхности последнего рассеяния, т.к. излучение из более дальних областей поглощалось космической плазмой (в соответствии с принципом “чем дальше — тем моложе”, более далекие области соответствуют состоянию Вселенной до рекомбинации, когда все вещество Вселенной было плазмой, непрозрачной для электромагнитного излучения). Поэтому области с повышенной плотностью должны выделяться на общем фоне реликтового излучения как более “красные” (рис. 6.6.1).

По закону Вина они должны выглядеть также как более холодные, а по закону Стефана-Больцмана — как более темные. Соответственно, более разреженные области должны выглядеть более “синими”, более горячими и более яркими. Именно это и было открыто с помощью вышеупомянутых космических аппаратов (рис. 6.6.2).

На меньших угловых масштабах главный вклад в образование флуктуаций вносит эффект Силка, заключающийся в том, что в областях сгущения вещества должно также сгущаться и излучение, что приводит к увеличению яркости микроволнового фона в этом месте. Другим важным фактором является эффект Доплера, возникающий из-за движения горячей плазмы относительно космической системы отсчета. Так, в тех областях, где вещество движется по направлению к Земле, излучение испытывает синее смещение, приводящее к повышению температуры реликтового фона. Согласно теоретическим оценкам, наиболее “контрастные” неоднородности реликтового фона должны иметь угловые размеры порядка одного градуса (l=200); их невозможно было разглядеть с помощью аппаратов COBE и Реликт, имевших значительно худшую “остроту зрения”. Именно такие угловые размеры имеют звуковые волны в ранней Вселенной при наблюдениях с Земли. Как показывают расчеты (первые из которых были проведены А.Д. Сахаровым еще в 60-х годах), наибольшую амплитуду должны иметь акустические волны, длина которых равна длине звукового горизонта — расстоянию, пройденному звуком во Вселенной за все время от Большого Взрыва до рекомбинации, т.е. за 300 тысяч лет. Точный угловой размер этих флуктуаций, называемых акустическим пиком, напрямую зависит от геометрии Вселенной. Дело в том, что излучение от первичных неоднородностей к нам распространяется по наикратчайшим линиям, которые в евклидовом пространстве (т.е. если плотность всех видов материи точно равна критической) являются прямыми, в пространстве Лобачевского (плотность материи ниже критической) — гиперболами, и в пространстве Римана (плотность выше критической) — дугами окружностей. Поэтому, как показано на (рис. 6.6.3), если Вселенная замкнута, то акустический пик должен приходиться на большие угловые размеры, чем в случае открытой Вселенной.

Таким образом, зная, на какой угловой масштаб приходится акустический пик, можно узнать геометрию Вселенной. В частности, если геометрия Вселенной является евклидовой, то акустический пик должен приходиться на угловой размер примерно один градус, l=200.

Последние (2000-2001 гг.) крупные достижения в исследовании реликтового излучения связаны с работой проектов BOOMERANG (рис. 6.6.4), MAXIMA и DASI. Во всех трех экспериментах микроволновое небо исследовалось с помощью приборов, поднимаемых с помощью аэростатов в Антарктике. Подробнее рассмотрим проект BOOMERANG (рис. 6.6.4). На рис. 6.6.5 показано распределение перепада температуры в зависимости от l, причем наблюдательные данные нанесены в виде красных кружков, теоретические предсказания в рамках наиболее подходящей модели Вселенной (при постоянной Хаббла 70 км/(с·Мпк), плотности материи 31% критической, плотности вакуума 75% критической) - в виде синей кривой. Как видно из рисунка, по измерениям в ходе выполнения этого проекта выяснилось, что акустический пик как раз и приходится на 1 градус, т.е. наша Вселенная с большой степенью точности имеет геометрию Евклида. Данные проектов MAXIMA и DASI подтверждают этот вывод. Заметим, что перепад температуры реликтового излучения, соответствующий акустическому пику, по измерениям в проекте BOOMERANG составил всего 69 микрокельвин.

Следует заметить, что если суммарная плотность энергии вещества и вакуума лишь ненамного отличается от критической, то отличие геометрии Вселенной от евклидовой невозможно обнаружить в текущих экспериментах. Таким образом, пока еще рано говорить о том, что мы обладаем окончательным знанием геометрии пространства.

В настоящее время планируются еще несколько проектов по исследованию флуктуаций реликтового излучения. В их числе запуски двух космических аппаратов - MAP в США и Plank в Европе (аналогичный проект, Реликт-2, разрабатывался и в России, но его реализация отложена из-за отсутствия финансирования). В ходе исследований по этим проектам ученые планируют получить более надежную информацию о деталях теории образования галактик и об основных параметрах модели Вселенной, включая постоянную Хаббла, отношение средней плотности Вселенной к критической (с учетом всех видов материи), космологической постоянной и т.д.