Почему после 13,8 миллиардов лет Большой взрыв все еще не угас?

На протяжении последних 13,8 миллиардов лет наша Вселенная расширялась, остывала и подвергалась действию гравитации. Сам горячий Большой взрыв был, по крайней мере для нашей наблюдаемой Вселенной, одноразовым событием, ставшим отправной точкой для всего, что произошло с тех пор. В процессе расширения и охлаждения образовались атомные ядра, нейтральные атомы, звезды, галактики и, в конечном итоге, такие каменистые планеты, как Земля. Хотя существуют чрезвычайно ранние реликтовые сигналы, включая фон гравитационных волн, порожденных во время фазы космической инфляции, предшествующей Большому взрыву, и фон нейтрино, выделившихся всего через секунду после горячего Большого взрыва, самым ранним сигналом, который мы наблюдали, является сегодняшний космический микроволновый фон (КМФ), созданный, когда Вселенной было всего 380 000 лет.

В любую эпоху нашей космической истории любой наблюдатель испытает однородную «ванну» всенаправленного излучения, возникшего еще во время Большого взрыва. Обратите внимание, что реликтовое излучение — это не просто поверхность, исходящая из одной точки, а скорее ванна излучения, существующая повсюду одновременно. С каждым новым годом реликтовое излучение остывает еще примерно на 0,2 нанокельвина и через несколько миллиардов лет станет настолько красным смещением, что будет обладать радиочастотами, а не микроволновыми.

Существование этого остаточного излучения, изначально известного как "первичный огненный шар" в теории, было удивительным предсказанием, восходящим к Джорджу Гамову еще в 1940-х годах, и оно потрясло астрономический мир, когда было напрямую обнаружено в 1960-х. За последующие 60 лет мы тщательно изучили его свойства, узнав в процессе этого огромное количество о нашей Вселенной. Возможно, самое замечательное, что этот ранний реликтовый сигнал все еще сохраняется спустя целых 13,8 миллиардов лет после того, как атомы впервые стали нейтральными и это фоновое излучение впервые было испущено. Оно все еще не угасло, и научное объяснение того, почему это так, является весьма глубоким.

От объектов внутри нашей Солнечной системы до звезд в нашей галактике и далеких галактик, которые можно увидеть с помощью наших телескопов, пространство населено объектами, расположенными в определенных точках пространства, которые испускают свет. Мы можем наблюдать только свет, который поступает прямо сейчас, после путешествия через расширяющуюся Вселенную. Однако остаточный свет от Большого взрыва, КМФ, был испущен из всех мест в определенный момент времени. С каждым мгновением свет с чуть более дальнего расстояния, чем в предыдущий момент, достигает нас.

Когда мы смотрим на любой светящийся объект во Вселенной, мы должны помнить, что не видим этот объект таким, каким он существует "сейчас" или в тот же момент времени, если бы мы считали секунды вперед, начиная с момента Большого взрыва. Вместо этого мы видим объект таким, каким он был в прошлом: в тот момент, когда был испущен этот свет. Этот свет должен путешествовать через Вселенную, пока не достигнет наших глаз.

Когда мы видим наше Солнце, мы наблюдаем свет, который оно испустило 8 минут и 20 секунд назад: столько времени требуется свету, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Земли. Когда мы смотрим на звезду, находящуюся на расстоянии сотен или тысяч световых лет, мы видим ее такой, какой она была сотни или тысячи лет назад. Возможно, например, что Бетельгейзе на самом деле взорвалась как сверхновая за последние ~640 лет, но поскольку она находится в 640 световых годах от нас, свет от этого возможного события еще не достиг нас, и поэтому мы остаемся в неведении относительно того, произошло это или нет. И когда мы смотрим на далекую галактику, мы видим свет, которому миллионы или даже миллиарды лет, поскольку мы должны учитывать время, необходимое свету, чтобы путешествовать от момента его испускания до того, как он достигнет наших глаз, после путешествия через постоянно расширяющуюся Вселенную.

Если звезда в далекой галактике взрывается как сверхновая, мы наблюдаем сверхновую только в те критические моменты, когда свет сверхновой достигает нас: не раньше и не позже. Когда звезды рождаются и/или умирают, мы можем наблюдать их только в те моменты, когда свет от этих событий достигает наших глаз, но не раньше и не позже. Как только эти звезды умирают, они больше не испускают свет, и поэтому, как только этот испущенный свет проходит мимо нас, мы больше никогда не увидим их снова.

Галактики, идентифицированные на изображении eXtreme Deep Field, могут быть разбиты на ближайшие, далекие и сверхдальние компоненты, при этом Хаббл обнаруживает только те галактики, которые он способен видеть в своих диапазонах длин волн и в своих оптических пределах. Важно помнить, что свет, который мы видим, — это всего лишь свет, приходящий прямо сейчас, после путешествия через бескрайние просторы космоса.

Но свет от Большого взрыва не похож на свет от более привычных объектов, таких как звезды. В то время как звездный свет возникает в результате определенного события в пространстве и времени — свет, испущенный в определенный момент и в определенном трехмерном месте, — свет, который мы видим как сегодняшний КМФ, возник во всех местах одновременно: в момент, когда атомные ядра и электроны, которые ранее были свободны и сталкивались с фотонами, объединились, чтобы образовать стабильные нейтральные атомы. Чтобы понять происхождение этого света, часто называемого "остаточным свечением" Большого взрыва, мы должны обратиться к теоретической стороне астрофизики, чтобы понять, как произошел этот процесс.

Чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она, по-видимому, удаляется от нас. Мы наблюдаем это так же, как ученые вроде Весто Слайфера наблюдали это более 100 лет назад:

- мы измеряем свет, исходящий от далекого объекта,

- мы разбиваем этот свет на его отдельные длины волн,

- мы идентифицируем наборы эмиссионных или абсорбционных линий, соответствующих определенным атомам, ионам или молекулам,

- и измеряем степень их систематического смещения, которая всегда одинакова, будь то в сторону более коротких (голубых) или более длинных (красных) длин волн.

Хотя существует некоторая случайность в движении каждой отдельной галактики — до нескольких тысяч километров в секунду, что соответствует гравитационным воздействиям окружающего вещества на каждую галактику — существует общий, недвусмысленный тренд. В среднем, чем дальше находится галактика, тем больше её свет смещен в сторону длинных волн.

Как было впервые отмечено Весто Слайфером еще в 1910-х годах, некоторые из наблюдаемых объектов показывают спектральные сигнатуры поглощения или излучения определенных атомов, ионов или молекул, но с систематическим смещением либо к красному, либо к синему концу спектра. В сочетании с измерениями расстояния до этих объектов эти данные дали начало первоначальной идее расширяющейся Вселенной: чем дальше галактика, тем больше её свет смещен в красную сторону.

Хотя это наблюдение — корреляция расстояния до галактики с её скоростью удаления — было впервые обнаружено еще в 1910-х годах, представляя собой, возможно, самые ранние доказательства в поддержку расширяющейся Вселенной, лишь в 1940-х годах была предложена концепция, которую мы ассоциируем с современной теорией Большого взрыва: ученым Джорджем Гамовым. В 1940-х годах Гамов осознал, что Вселенная, которая расширяется сегодня, где расстояние между любыми двумя точками увеличивается, должна была быть не только меньше в прошлом, но также горячее и плотнее. Причина проста, но до Гамова никто не собирал все части этой головоломки воедино.

Фотон, или квант света, обладает измеримым свойством, известным как его длина волны, которая определяет ряд его характеристик. Энергия отдельного фотона обратно пропорциональна его длине волны: длинноволновый фотон имеет меньшую энергию, чем коротковолновый фотон. Если у вас есть фотон, путешествующий через вашу Вселенную, и Вселенная расширяется, то пространство, через которое проходит фотон, растягивается, что означает, что сам фотон растягивается до более длинных волн и низких энергий. Таким образом, в прошлом, когда Вселенная была меньше и меньше "растянулась" из-за расширения, эти фотоны должны были иметь более короткие длины волн и более высокие энергии. Более высокие энергии соответствуют более высоким температурам и подразумевают, что Вселенная была более энергетичной в далеком прошлом.

Когда воздушный шар надувается, любые монеты, приклеенные к его поверхности, будут отдаляться друг от друга, причем «более удаленные» монеты удаляются быстрее, чем менее удаленные. Любой свет будет смещаться в красную сторону, поскольку его длина волны «растягивается» до более длинных значений по мере расширения ткани воздушного шара. Эта визуализация убедительно объясняет космологическое красное смещение в контексте расширяющейся Вселенной. Если Вселенная расширяется сегодня, это означает, что в прошлом она была меньше, горячее и плотнее, что приводит к картине горячего Большого взрыва. Это также объясняет, почему все кванты теряют кинетическую энергию по мере расширения Вселенной и почему длина волны фотонов удлиняется по мере расширения Вселенной.

Гамов, что можно охарактеризовать как научный прыжок веры, экстраполировал это настолько далеко, насколько мог представить. В какой-то момент своей экстраполяции он осознал, что фотоны, существующие во Вселенной, были бы нагреты до такой высокой температуры, что один из них, по крайней мере, иногда, имел бы достаточно энергии, чтобы ионизировать атомы водорода: самый распространенный тип атомов во Вселенной. Когда фотон сталкивается с атомом, он взаимодействует с электроном, либо выбивая его на более высокий уровень энергии, либо, если имеет достаточную энергию, выбивая электрон полностью из атома, ионизируя его. Если мы экстраполируем немного дальше назад, все больше и больше фотонов будут превышать этот критический порог ионизации, и так все потенциальные атомы будут полностью ионизированы: просто ванна из свободных атомных ядер и электронов.

Другими словами, должен был быть момент в прошлом Вселенной, когда было достаточно высокоэнергетичных фотонов по сравнению с:

- количеством энергии, необходимым для ионизации атома,

- и количеством атомов, которые существуют,

чтобы каждый атом был ионизирован. Во время этого ионизированного состояния свободные электроны и фотоны будут рассеиваться (то есть эластично сталкиваться) друг с другом, создавая состояние равномерной температуры, и когда электроны и атомные ядра находили друг друга, они практически мгновенно разрывались бы высокоэнергетичным фотоном. Однако, идя вперед во времени, фотоны удлиняются по длине волны, и все меньше из них способны ионизировать атомы. В какой-то момент количество фотонов с достаточной энергией для ионизации атомов падает ниже количества потенциальных атомов во Вселенной, и тогда количество нейтральных атомов начинает увеличиваться: от "нуля" до "всех" за короткий период времени: от ~200 000 лет после Большого взрыва до ~500 000 лет после него.

В горячей ранней Вселенной, до образования нейтральных атомов, фотоны рассеиваются на электронах (и, в меньшей степени, на протонах) с очень высокой скоростью, передавая при этом импульс. После образования нейтральных атомов из-за охлаждения Вселенной до уровня ниже определенного критического порога фотоны просто движутся по прямой линии, на которую влияет только длина волны расширение пространства.

Как только все атомы стали электрически нейтральными, фотоны, которые ранее легко рассеивались электронами, теперь обязаны делать то, что мы называем "свободным потоком" через Вселенную, так как нет свободных заряженных частиц, с которыми они могли бы рассеиваться. Эти фотоны — то есть остаточный свет от Большого взрыва — могут только путешествовать в том направлении, в котором они двигались, когда эти нейтральные атомы закончили формироваться, и продолжать путешествовать без препятствий по мере расширения Вселенной.

Но в отличие от света, поступающего от звезд, галактик и других отдельных астрофизических источников света, свет, созданный в "горниле" горячего Большого взрыва, принципиально отличается. Для всего остального во Вселенной — всего, что создает свет, — этот свет: создается в определенной точке пространства, создается в определенный момент времени, путешествует от источника через (расширяющуюся) Вселенную со скоростью света, и достигает наших глаз, наблюдателей, только в этот один момент. Для звезд, галактик, сверхновых, катастрофических событий, газовых облаков, вспышек и любого другого источника излучения все эти пункты верны. Но для остаточного свечения Большого взрыва одна очень, очень важная вещь отличается. Все это излучение действительно исходит из определенного момента времени, оно действительно путешествует через Вселенную со скоростью света, оно действительно достигает наших глаз в один определенный момент. Но вместо того, чтобы этот свет создавался в одной конкретной точке пространства, он создавался (и "высвобождался", когда начал свободно течь) во всех точках пространства одновременно.

На ранних этапах (слева) фотоны рассеиваются от электронов и обладают достаточной энергией, чтобы вернуть любые атомы в ионизированное состояние. Как только Вселенная достаточно остынет и освободится от таких высокоэнергетических фотонов (справа), они не смогут взаимодействовать с нейтральными атомами и вместо этого просто перейдут в свободный поток, поскольку у них неправильная длина волны для возбуждения этих атомов на более высокий энергетический уровень.

Самое большое, самое труднопонимаемое различие между Большим взрывом и всем остальным, что создает наблюдаемый сигнал, заключается в следующем: у Большого взрыва нет единой пространственной точки происхождения. Это не похоже на звездное событие или взрыв; нет места или точки, на которую можно указать и сказать: "вот здесь произошел Большой взрыв: здесь и нигде больше". Особенность Большого взрыва заключается в том, что он произошел везде, по всему пространству, одновременно. Большой взрыв представляет собой момент во времени, 13,8 миллиардов лет назад, когда Вселенная была в ультрагорячем, ультраплотном состоянии: заполненная материей, антиматерией и излучением.

Все, что произошло с тех пор, произошло в результате события горячего Большого взрыва. Это включает: уничтожение антиматерии с материей (оставив лишь небольшое количество обычной материи), образование протонов и нейтронов, синтез легких элементов во время нуклеосинтеза Большого взрыва, образование нейтральных атомов, воспламенение первых звезд, образование первых галактик, и так далее. Все эти события произошли по всей Вселенной, но они происходят только по мере продвижения вперед во времени. Но когда мы наблюдаем Вселенную, мы всегда должны начинать с нашего местоположения — прямо здесь, на Земле, в Солнечной системе и в Млечном Пути — и собирать свет, который прибывает здесь и сейчас. Любой свет, который уже прошел мимо нас и исчез, теперь в прошлом, в то время как свет от событий, которые еще не достигли нас, будет наблюдаем только в будущем.

Наиболее полное представление о космическом микроволновом фоне, который является старейшим наблюдаемым светом во Вселенной, показывает нам снимок того, каким был космос всего через 380 000 лет после начала горячего Большого взрыва. В течение длительных периодов времени, например многих сотен миллионов лет, модели «горячих» и «холодных» колебаний, которые представляют собой разницу температур всего в десятки-сотни микрокельвинов, будут смещаться и изменяться по мере того, как более отдаленные модели от ныне ненаблюдаемая Вселенная раскрывается с течением времени.

Когда мы видим звезду, такую как Сириус, самую яркую звезду в нашем ночном небе, она находится на расстоянии 8,6 световых лет, и поэтому свет, который поступает сейчас, в июне 2024 года, был испущен еще в ноябре 2015 года. Когда мы видим галактику, такую как Андромеда, на расстоянии 2,5 миллиона световых лет, мы на самом деле наблюдаем эту галактику такой, какой она была 2,5 миллиона лет назад, примерно в то время, когда первый представитель рода Homo только появился на Земле: Homo habilis. И когда мы смотрим на самую далекую известную на сегодняшний день галактику, JADES-GS-z14–0, мы видим свет, которому исполнилось впечатляющие 13,51 миллиарда лет, когда он был испущен. Единственное заметное изменение, которое этот свет претерпел, связано с красным смещением, или удлинением его длины волны, из-за расширения Вселенной во время его путешествия к нашим глазам.

Однако оставшиеся фотоны от Большого взрыва все еще присутствуют во всех направлениях. Нам просто нужно смотреть немного дальше: на свет, испущенный 13,8 миллиардов лет назад, когда эти нейтральные атомы только начали формироваться, и фотоны Большого взрыва начали свободно течь. Когда эти нейтральные атомы образовались, Вселенная была менее чем одной миллиардной частью своего нынешнего объема, и температура этого фонового излучения была около 3000 K: типичная для поверхности красного гиганта. Но через 13,8 миллиардов лет это излучение было растянуто расширением Вселенной и охладилось до температуры всего 2,725 K, или менее чем три градуса выше абсолютного нуля.

Сейчас видимая Вселенная простирается на 46,1 миллиарда световых лет: расстояние, на котором свет, испускаемый в момент Большого взрыва, находился бы от нас сегодня, после путешествия длиной в 13,8 миллиардов лет. С течением времени свет, который находится еще дальше и все еще находится на пути к нам, в конечном итоге прибудет: с немного больших расстояний и с немного большими красными смещениями.

Этот свет — свет, который мы наблюдаем как составляющий КМФ — был испущен из всех точек во Вселенной, везде, одновременно, около 13,8 миллиардов лет назад. Остаточное свечение Большого взрыва — это свет, который поступает к нашим глазам сегодня, который был испущен 13,8 миллиардов лет назад, и когда мы учитываем расширение Вселенной, мы теперь "видим" поверхность, откуда исходит КМФ, находящуюся на расстоянии 46 миллиардов световых лет от нас. И все же мы можем его обнаружить.

Сегодня в каждом кубическом сантиметре пространства осталось 411 фотонов от Большого взрыва. Фотоны, которые мы обнаруживаем сегодня, были испущены всего через 380 000 лет после Большого взрыва, путешествовали через Вселенную 13,8 миллиардов лет и, наконец, достигают наших телескопов и инструментов прямо сейчас. Завтрашний КМФ может выглядеть практически идентично сегодняшнему, но его фотоны будут поступать с поверхности, которая находится на один световой день позади фотонов, которые мы наблюдаем сегодня.

КМФ действительно охватывает нас прямо сейчас, и этот момент — единственная возможность, которую мы когда-либо будем иметь, чтобы увидеть те конкретные фотоны КМФ, которые прибывают на Землю сегодня. Потребовалось 13,8 миллиардов лет путешествия через расширяющуюся Вселенную, чтобы они достигли наших глаз, но они прибыли после самого космического путешествия: от Большого взрыва к нам.

На этом изображении показаны Арно Пензиас и Роберт Уилсон, соавторы, открывшие космический микроволновый фон, с рупорной антенной Холмдела, использованной для его обнаружения. Хотя многие источники могут создавать радиационный фон низкой энергии, свойства реликтового излучения подтверждают его космическое происхождение. Со временем оставшееся свечение от Большого взрыва продолжает смещаться в красную сторону, и для его дальнейшего обнаружения потребуются более крупные телескопы, чувствительные к более длинным волнам и меньшей плотности фотонов.

Иными словами, Вселенная никогда не исчерпает фотонов, которые мы можем увидеть. Всегда будет дальнее место, с нашей точки зрения, где Вселенная впервые образует стабильные нейтральные атомы. В этом месте Вселенная становится прозрачной для ~3000 K фотонов, которые ранее рассеивались на ионах (в основном в виде свободных электронов), которые были повсеместны, позволяя им просто течь свободно во всех направлениях. То, что мы наблюдаем как КМФ, — это фотоны, испущенные из этого места, которые случайно двигались в нашем направлении в тот момент и которые прибывают именно сейчас: в этот самый момент космической истории, от того раннего, вездесущего события.

Тем не менее, остаточное свечение Большого взрыва никогда не исчезнет полностью. Независимо от того, как далеко мы экстраполируем в будущее, даже если плотность фотонов и энергия на фотон будут продолжать падать, достаточно большой и чувствительный детектор, настроенный на нужную длину волны, всегда сможет его обнаружить. В какой-то момент, гипотетический наблюдатель, который все еще будет существовать, должен будет использовать радиоволны для обнаружения остаточного свечения Большого взрыва, так как излучение растянется настолько сильно, что сместится из микроволнового диапазона спектра в радиодиапазон. Нам придется строить еще более чувствительные радиотелескопы, так как плотность фотонов снизится с сотен на кубический сантиметр до менее 1 на кубический метр. Нам понадобятся более крупные антенны, чтобы обнаруживать эти длинноволновые фотоны и собирать достаточно света для идентификации этого древнего сигнала, но он будет существовать вечно. Новые фотоны, приходящие из еще более дальних уголков Вселенной, будут продолжать достигать нас даже бесконечно далеко в будущем, и в результате, остаточное свечение Большого взрыва будет вечно существовать: никогда не угасая полностью.