ПЕРВИЧНЫЙ СВЕТ. РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Вот слова ведущего научного сотрудника специальной астрофизической обсерватории РАН Олега Верходанова: "Реликтовое излучение прекрасно! ...это самое интересное, что есть в физике, в астрофизике, в космологии, потому что там содержится вся информация" [Верходанов О. История исследований реликтового излучения. Постнаука (2018). Режим доступа: www.youtube.com]. Как же было открыто это излучение?

В 1941 г. канадский астроном Эндрю Маккелар увидел особые молекулярные линии в спектре поглощения звездного света межзвездным газом (цианом). Это было загадочным фактом, поскольку указанные линии требуют постоянной накачки тепловым излучением с температурой ~2,5 К. Объяснений тогда не нашлось. В 1955 г. (или 1957 г.) аспирант Тигран Шмаонов, работавший в Пулковской обсерватории, обнаружил изотропный фон с температурой 4-5 К. Открытие было опубликовано в одном из советских научных журналов, который на Западе практически не читали, а потом забыто. Георгию Гамову с Ральфом Альфером и Робертом Германом (начиная с конца 1940-х) удалось предложить первую правдоподобную модель горячей расширяющейся Вселенной, из которой следовало наличие в прошлом ее теплового равновесия с определенными параметрами вещества и фотонов. Из этого следовало, что сегодня должно наблюдаться во Вселенной излучение с температурой 3-5 К, которое осталось от первичных фотонов, и которое соответствует микроволновому диапазону. В 1964 г. Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков, ученики Я.Б. Зельдовича, опубликовали численные оценки, из которых следовало, что первичные фотоны (реликтовое излучение) может быть зарегистрировано на существующей аппаратуре в лаборатории Белла в США. И в 1965 г. в той самой лаборатории, на том самом оборудовании (рупорной антенне) Арно Пензиас и Роберт Вильсон провели тщательные измерения в рамках совершенно другого проекта и открыли знаменитое реликтовое излучение, соответствующее спектру излучения абсолютно черного тела с температурой ~3 К. Несмотря на наличие множества помех, указанным авторам удалось точно выделить неустранимый слабый сигнал, который выглядел как тепловой шум, одинаковый по всем направлениям. Любопытно, что сами авторы открытия не признавали модель горячей Вселенной, и потому не соглашались с интерпретацией реликтового излучения, как следствия ранней горячей Вселенной [Штерн Б.Е. Прорыв за край мира. О космологии землян и европиан / Борис Е. Штерн. - М.: Троицкий вариант, 2014. - 304 с., С.47-50; Верходанов О. История исследований реликтового излучения. Постнаука (2018). Режим доступа: www.youtube.com].

К концу 1960-х годов группа ученых под руководством Я.Б. Зельдовича провела теоретический анализ реликтового излучения, увязав наблюдаемую структуру Вселенной (распределение галактик) со слабыми неоднородностями реликтового излучения (анизотропией реликтового излучения). Поиски указанных неоднородностей (анизотропии) реликтового излучения интенсивно велись во всем мире. Настоящую карту реликтового излучения с выявленной слабой анизотропией (на уровне 10-5) построил спутник COBE (1989-93 гг.), который также подтвердил точное соответствие спектра излучению абсолютно черного тела (с температурой 2,725К). Авторами этого открытия считаются научные руководители групп Джордж Смут и Джон Мазер. Американский спутник WMAP, запущенный в 2001 г., за 2 года работы отснял спектр реликтового излучения; европейский спутник "Планк", запущенный в 2009 г., подтвердил, уточнил и расширил эти результаты [Верходанов О. История исследований реликтового излучения. Постнаука (2018). Режим доступа: www.youtube.com; Реликтовое излучение. Режим доступа: http://physics.kgsu.ru/astronomia/NV/Relytiv%20izluch.htm].

Подробная карта реликтового излучения [Карта реликтового излучения от "Планка" (22.07.2018). Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1424131]

Считается, что карта реликтового излучения отражает карту неоднородностей плотности нашей Вселенной возраста 380 тыс. лет, т.е. это "детская фотография" Вселенной. В тот момент (момент рекомбинации) горячая плазма космической материи, содержащая фотоны, электроны, барионы и др. частицы, превратилась в нейтральный газ, и фотоны пустились в свободное путешествие. При этом температура излучения и вещества на тот момент составляли ~3000 К. По мере расширения Вселенной фотоны смещались в красную, затем инфракрасную и затем в микроволновую часть спектра, т.е. увеличивали длину волны. Сегодня реликтовое излучение имеет температуру 2,725К, его максимум приходится на частоту 160,4ГГц, что соответствует длине волны 1,9мм. Средняя энергия фотонов реликтового излучения очень мала (в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света), но число фотонов реликтового излучения очень велико. По оценкам, на каждый атом во Вселенной приходится ~ 109 фотонов реликтового излучения, что означает, что в среднем 400-500 фотонов находится в одном кубическом сантиметре. Нужно отметить, что реликтовое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной с "разбегающимися" галактиками, в так наз. "сопутствующей системе отсчёта", притом, что эта система отсчета расширяется вместе со Вселенной. В любой др. системе координат интенсивность излучения зависит от направления в силу эффекта Доплера, и этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с реликтовым излучением. К середине 1980- годов уже была твердо установлена дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения. Так, в направлении на созвездие Льва температура реликтового излучения на 3,5 мК превышает среднюю температуру (~2,7 К), а в противоположном направлении - на столько же ниже средней. Отсюда следует, что Солнце (вместе с Землей) движется относительно реликтового излучения со скоростью ок. 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Экспериментаторы фиксируют также скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно реликтового излучения. Она составляет ок. 600 км/с [Штерн Б.Е. Прорыв за край мира. О космологии землян и европиан / Борис Е. Штерн. - М.: Троицкий вариант, 2014. - 304 с., С.47-50; Реликтовое излучение. Режим доступа: http://physics.kgsu.ru/astronomia/NV/Relytiv%20izluch.htm; Сюняев Р.А. Микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение). Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1188450].

Понятно, что слабые неоднородности (анизотропию) реликтового излучения на уровне 10-5 и др. общие для всей Вселенной параметры реликтового излучения извлекали после учета дипольной анизотропии реликтового излучения, связанной с нашим движением.

А как выглядел первичный свет в момент отрыва излучения от вещества (при возрасте Вселенной 380 тыс. лет)? Как уже говорилось, его спектр соответствовал температуре абсолютно черного тела при ~3000 К.

Цвет абсолютно черного тела в зависимости от его температуры [Температура цвета (10.09.2013). Режим доступа: https://habr.com/ru/post/193142]

Это означает, что первичный свет был желтого цвета [Температура цвета (10.09.2013). Режим доступа: https://habr.com/ru/post/193142; Абсолютно черное тело. Википедия]. А поскольку мощность этого излучения была чрезвычайно велика, то наблюдатель, помещенный в тот момент во Вселенной, теоретически увидел бы яркий желтый свет!.. перед тем, как сгореть от обилия фотонов с температурой 3000 К.

Удивительное дело: еще не появились во Вселенной источники света - звезды, а уже возник свет. Некоторые мыслители видят здесь прямое указание на библейский текст о сотворении Богом света до сотворения светил. Однако, прямой аналогии с книгой Бытия здесь не получается, хотя бы потому, что это излучение не пульсировало, отсчитывая "вечер" и "утро" (ночь и день) первых трех дней творения, как в книге Бытия, а монотонно увеличивало длину волны. Но, не смотря на то, что логика и детали эволюции Вселенной в теории Большого взрыва лишь отдаленно напоминают библейские шесть дней творения, некоторые параллели здесь вызывают изумление.

(В.Ю. Скосарь, октябрь 2019 г.)