Реликтовое излучение - удивительный феномен нашей Вселенной. Это излучение возникло тогда, когда Вселенная была совсем молодой. Оно несет в себе следы самого первого момента жизни Вселенной и следы многих миллиардов лет, вплоть до наших дней. Его изучение позволяет уточнять фундаментальные константы нашего мира, видеть прошлое и будущее.
Чтобы понять откуда появилась идея о реликтовом излучении, нужно заглянуть на сто лет назад. В начале 20-го века физики не имели четкого представления о строении Вселенной. В тридцатые годы прошлого столетия Эдвин Хаббл доказал, что некоторые наблюдаемые туманности являются огромными звездными островами - галактиками. Измерения расстояний до них и их скоростей привели Хаббла к удивительному наблюдению - чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас двигается. Это было открытие расширения Вселенной. Наблюдения укладывались в простой закон, который теперь носит имя его автора. Расстояния до галактик измерялись по классическим цефеидам. Делались снимки одной области, после чего на проявленных кадрах нужно было найти звезду, яркость которой изменилась.
Стоит сказать, что нобелевской премии Хабблу за это не вручили. Но после его смерти нобелевский комитет стал рассматривать астрономические открытия не отдельной дисциплиной, а в рамках премии по физике.
На тот момент уже существовали разные теории развития Вселенной. Естественно эти теории должны были находится в рамках недавно появившейся теории относительности. Два физика (Фридман Александр Александрович и Леметр Жорж) независимо разработали теорию горячей Вселенной. В качестве начала появления Вселенной предлагался Большой взрыв - расширение Вселенной из компактного горячего объекта.
Открытие Хабблом расширения Вселенной явилось подтверждением теории горячей Вселенной. Но эта теория предсказывала еще и наличие некоего остаточного свечения, которое назвали реликтовым излучением. Оно возникло в определенный момент, когда ионизированное вещество Вселенной остыло и перестало быть плазмой. Чтобы понять как возникло это излучение, нужно разобраться с одним свойством плазмы.
Когда при спуске космический корабль входит в атмосферу, то вокруг него образуется облако из плазмы. В этот самый ответственный момент полностью отсутствует связь с кораблем. Облако плазмы, в котором летит корабль, не пропускает электромагнитные волны и радиосвязь невозможна.
Если начать нагревать какой-нибудь газ, то при определенной температуре начнется его ионизация. Если плотность в газе достаточная для постоянного столкновения атомов, то такое состояние ионизированного газа называется плазмой. Энергии атомов нагретого газа хватает на то, чтобы при столкновениях вышибать электроны друг у друга. Появляются свободные электроны, и положительно заряженные атомы. Свободные заряды могут поглощать и испускать фотоны любых длин волн. Теперь фотоны не могут пролететь через такой газ. Их энергия поглощается и тратиться на энергию механического движения заряженных ядер и электронов. Те, в свою очередь, испускают фотоны при ускоренном движении. Например, при столкновениях.
Основное выделение энергии нашего Солнца происходит в его недрах. Фотоны, испущенные при ядерном синтезе, не покидают Солнце, т.к. Солнце является большим плазменным шаром и не прозрачно для электромагнитного излучения. Из-за этого энергия, родившаяся в центре звезды, может "путешествовать" к наружным слоям очень долго. Та энергия, которая доходит до нас от Солнца, появилась не в текущий момент, а выделилась в атомном жерле сотню лет назад, после чего долго путешествовала.
Фотоны в плазме двигаются хаотически - они испускаются электронами одинаково в любых направлениях. Теперь представим, что Солнце в один момент перестало быть плазменным шаром и стало прозрачным. Все фотоны, беспорядочно носившиеся в плазме, разлетятся во всех направлениях. Для наблюдателя внутри Солнца они превратятся в поток фотонов, летящих со всех сторон.
Солнце не может в один момент стать прозрачным. Но когда-то это произошло с нашей Вселенной. По мере её расширения температура плазмы падала. В какой-то момент механической энергии движения атомов газа перестало хватать для отрыва электронов от протонов. Во Вселенной появилось большое количество нейтральных атомов водорода. Вселенная перестала существовать в виде плазмы и стала прозрачной! В этот самый момент все фотоны стали двигаться беспрепятственно. Именно они и называются реликтовым излучением. Произошло это событие около 300.000 лет с момента Большого взрыва. Все существовавшие тогда неоднородности плотности Вселенной навсегда впечатались в это излучение.
Нетрудно догадаться, что фотоны реликтового излучения приходят к нам из тех областей Вселенной, за которыми мы не можем что-либо увидеть - свет от этих областей шел к нам от момента "просветления" Вселенной до настоящего момента.
Если бы мы могли в это время оказаться там и оглядеться вокруг, то во всех направлениях увидели бы яркое однородное свечение, максимум которого находился бы в рентгеновской части спектра. Излучение заполняло бы всё пространство Вселенной. По мере расширения Вселенной её части удаляются друг от друга. Это приводит к тому, что фотоны реликтового излучения "краснеют" (эффект Доплера). Иными словами можно сказать, что температура реликтового излучения падает. В наше время она равна 2.725 K или -270.4° C.
Теория горячей Вселенной предполагает такой фазовый переход - от плазмы к нейтральному веществу. В 50-е годы прошлого века этот момент активно прорарабатывался несколькими теоретиками - Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом. Расчеты Альфера и Германа давали нынешнюю температуру реликтового излучения в 5 K, тогда как расчеты Гамова давали оценку в 3 K.
В 1965 году Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories проводили тесты новой рупорной антенны. В показаниях аппарата присутствовал некоторый шум, соответствующий температуре 3.5К. Поначалу появилось предположение, что виной тому голуби, которые облюбовали полость антенны. Такой случай уже был и пришлось чистить одну из антенн. Но полость антенны была в порядке. Дальнейшие эксперименты показали, что шум пропадает, если направить антенну в землю. Стало понятным, что это какое-то излучение из космоса. Шум был равномерным во всех направлениях. Это была первая уверенная регистрация реликтового излучения. За его обнаружение Пензиас и Вильсон получили нобелевскую премию.
Почти каждый человек "видел" реликтовое излучение. Если приемник домашнего телевизора не настроен, то на экране можно наблюдать картинку с шумом. Часть этого шума составляет именно реликтовое излучение.
Как было сказано выше, реликтовое излучение несет в себе огромное количество информации о развитии нашей Вселенной. На сегодняшний день в космосе трудились уже три аппарата, составившие очень подробную карту этого излучения. В будущем планируется запуск систем нового класса точности. Например, такие аппараты смогут изучать в реликтовом излучении первичные гравитационные волны, что станет ключевым подтверждением стадии инфляции Вселенной.
