Тайны пространства и времени

В то же самое время Пензиас и Вильсон по заданию известной радиотелефонной фирмы «Белл» занимались изучением характеристик новой радиоастрономической антенны, предназначавшейся для системы радиосвязи через искусственные спутники Земли. Эта система и связанная с ней аппаратура отличались очень хорошей защитой от помех и низкой шумовой температурой, то есть сами приемные устройства вносили в результаты измерений минимальные искажения. Такого результата удалось достичь благодаря специальной конструкции приемной аппаратуры с усилителем на рубиновом кристалле, охлаждаемом жидким гелием.

В процессе работы ученые обнаружили неожиданную помеху – непонятный шумовой фон на волне длиной 7,3 сантиметра. Дальнейшие измерения показали, что загадочный радиошум не зависит ни от направления антенны, ни от времени суток и года. Это указывало на его космическое происхождение.

В мае 1965 года статья Пензиаса и Вильсона, в которой сообщались результаты исследований неизвестного излучения, однако без объяснения его физической природы, была опубликована в «Астрофизическом журнале». Объяснение в том же номере журнала дала группа Р. Дикке, истолковавшая таинственный шумовой фон как реликтовое излучение.

Справедливость, однако, требует отметить, что еще до появления статей в «Астрофизическом журнале» была опубликована весьма интересная работа советских астрофизиков А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова, в которой обосновывалась возможность практической регистрации реликтового радиоизлучения. Авторы статьи впервые рассчитали весь спектр излучения от известных в то время источников радиоизлучения во Вселенной с учетом их эволюции в процессе расширения и показали, как на их фоне должно выглядеть реликтовое излучение. При этом они пришли к выводу, что в области сантиметровых и миллиметровых волн это излучение может быть практически обнаружено. И действительность подтвердила это предсказание.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение постепенно остывало и его современная температура составляет около 3 Кельвинов.

Максимум интенсивности реликтового излучения лежит в области сверхкоротких волн длиной в доли миллиметра. Электромагнитные волны такой длины практически не испытывают поглощения в космическом пространстве и по этой причине приходят к нам с очень далеких расстояний.

Многократные измерения интенсивности реликтового излучения в различных направлениях показали, что с большой точностью оно однородно и изотропно. Это значит, что куда бы мы ни направили наш радиотелескоп, интенсивность реликтового излучения окажется практически одинаковой. Этот факт как раз и свидетельствует о том, что излучение, о котором идет речь, действительно является реликтовым, а не излучением, возникшим в каких-либо обособленных, дискретных источниках.

Существование реликтового излучения – очень важное, можно сказать, решающее подтверждение того фундаментального факта, что мы в самом деле живем в расширяющейся Метагалактике. В частности, исследование его физических характеристик показало, что первоначальная плазма действительно обладала чрезвычайно высокой температурой. Тем самым было получено подтверждение справедливости теории горячей расширяющейся Вселенной.

Однако всем сказанным значение реликтового излучения для познания окружающего нас мира не ограничивается. Так, например, исследование этого излучения позволило получить данные, которые являются независимым подтверждением фундаментального вывода современной астрофизики об однородности нашей Вселенной в больших масштабах. Если бы в окружающем нас мире существовали достаточно большие регионы с повышенной плотностью вещества, сравнимые по своим размерам со всей наблюдаемой областью пространства, то в этих регионах реликтовое излучение испытывало бы определенные изменения.

Дело в том, что согласно общей теории относительности Эйнштейна должно существовать так называемое гравитационное красное смещение. Электромагнитное излучение в сильных гравитационных полях испытывает определенный сдвиг в сторону более длинных волн и более низких частот. Этот эффект проверен экспериментально. А, как мы уже знаем, чем длиннее волна электромагнитного излучения, тем меньшую энергию оно с собой переносит. Так что реликтовое излучение, возникшее в районе больших сгущений вещества, должно приходить к нам ослабленным. И в общей картине распределения реликтового излучения по всему небу должны были бы существовать «пятна» пониженной интенсивности.

Расчеты показывают: для того, чтобы эти пятна могли быть замечены наиболее крупными современными радиотелескопами, такими, например, как РАТАН-600, размеры подобных сгущений материи должны иметь масштаб порядка миллиарда световых лет, а их плотность сгущений должна превосходить средний уровень по меньшей мере на 10%.

Однако современные радиоастрономические наблюдения соответствующих «пятен» интенсивности реликтового излучения не обнаружили. Видимо, это означает, что таких сгущений, о которых идет речь, не существует.

Следовательно, в пределах той области пространства, откуда доходит к нам реликтовое излучение, самыми большими структурными образованиями являются сверхскопления галактик поперечником приблизительно до ста миллионов световых лет. В больших же масштабах распределение вещества во Вселенной достаточно однородно.

С учетом достигнутой точности наблюдений можно считать, что средняя плотность вещества по достаточно большим областям Вселенной различается не больше, чем на десятые доли процента.

Наблюдения реликтового излучения позволяют решить еще одну интереснейшую задачу. Все космические объекты находятся в постоянном движении. Планеты обращаются вокруг Солнца. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактики, в свою очередь, не только участвуют в расширении Вселенной, но и перемещаются друг относительно друга.

Для того, чтобы обнаружить и изучить любое движение, измерить его физические характеристики: скорость, ускорение, направление – необходима определенная система отсчета, связанная с теми или иными материальными объектами. Так, движение Земли и планет мы обычно отсчитываем относительно системы координат, связанной с Солнцем, а движение Солнца и звезд – относительно галактической системы координат.

Но дело в том, что космические тела, с которыми мы связываем те или иные системы отсчета, сами движутся. Иными словами, любой космический объект одновременно участвует в целом ряде различных движений. И для того, чтобы определить суммарное движение, нужна была бы некая «независимая» система отсчета, не связанная с перемещающимися небесными телами. Такой в определенном смысле «абсолютной» или, точнее говоря, физически преимущественной системой, может служить система отсчета, жестко связанная с реликтовым излучением.

Эта система вводится таким образом, чтобы в каждой точке пространства по отношению к ней поток излучения был равен нулю. Физическое преимущество этой системы заключается в том, что по отношению к ней поле излучения находится в состоянии покоя.

Можно ли измерить фактическую скорость движения того или иного конкретного космического объекта, например, нашей планеты Земли по отношению к этой системе? Можно. Если, в частности, Земля движется относительно реликтового излучения, реликтового фона Вселенной, то плотность энергии реликтового излучения, а следовательно, и его «радиояркость» в направлении движения будет соответственно выше, чем в противоположном. В самом деле, представим себе реликтовое излучение как поток фотонов. Тогда, очевидно, за одно и то же время Земля будет «сталкиваться» с большим числом встречных фотонов, чем догоняющих.