Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ), более известное как реликтовое излучение, является, пожалуй, самым важным источником информации о рождении и эволюции нашей Вселенной. Это буквально свет, который наполнил космос, когда ему было всего около 380 тысяч лет. Изучая его, мы заглядываем в прошлое, чтобы понять, как из горячего, однородного "супа" возникли звезды, галактики и мы сами.
Открытие по случайности: "шум" из ниоткуда
История обнаружения этого излучения — классический пример того, как наука движется вперед благодаря сочетанию теоретического предвидения и счастливой случайности.
Еще в 1940-х годах физик Георгий Гамов и его коллеги, разрабатывая теорию горячей Вселенной (ныне известную как теория Большого Взрыва), предсказали, что после остывания раннего космоса должно остаться слабое, равномерное свечение. Это излучение должно было иметь температуру всего несколько градусов выше абсолютного нуля.
Однако фактическое открытие произошло совершенно неожиданно. В 1964 году инженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Bell Labs в Нью-Джерси работали над настройкой высокочувствительной рупорной антенны, предназначенной для спутниковой связи. Их целью было устранить все источники шума, чтобы получить чистый сигнал.
Но что бы они ни делали, в их приемнике постоянно присутствовал загадочный, низкоуровневый "шипящий" фон. Этот шум был одинаков в любое время суток, в любой сезон и, что самое странное, не зависел от того, куда была направлена антенна. Они исключили все земные помехи, проверили аппаратуру, а в отчаянии даже вычистили из антенны следы жизнедеятельности голубей, которые там поселились. Шум остался.
Вскоре Пензиас и Уилсон узнали о группе астрофизиков из Принстонского университета, возглавляемой Робертом Дике, которые как раз готовились искать то самое фоновое излучение, предсказанное теорией. Когда две группы связались, стало ясно: "помехи", которые так раздражали Пензиаса и Уилсона, были не чем иным, как реликтовым излучением с температурой около 2,7 Кельвина. Это случайное открытие в 1965 году стало прямым и неопровержимым доказательством Большого Взрыва.
Картирование Вселенной: от COBE до Planck
После обнаружения самого излучения перед учеными встала новая задача: составить его карту. Если бы Вселенная была идеально однородной, то и излучение было бы абсолютно равномерным. Но поскольку мы видим звезды и галактики, в нем должны были быть крошечные "семена" неоднородности.
Для этой цели были запущены космические аппараты, поскольку земная атмосфера поглощает микроволновое излучение.
1. COBE (Cosmic Background Explorer): запущенный в 1989 году, этот спутник впервые подтвердил, что КМФИ имеет идеальный спектр абсолютно черного тела. Самое главное, он обнаружил те самые крошечные температурные различия, которые составляли всего одну стотысячную часть градуса (примерно 0,00001 Кельвина). Эти минимальные колебания температуры стали ключом к пониманию того, как формировались структуры Вселенной.
2. WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): работая с 2001 по 2009 год, WMAP создал гораздо более четкую и детализированную карту. Его данные позволили достаточно точно определить возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет) и ее состав, подтвердив, что большая часть космоса состоит из невидимых темной материи и темной энергии.
3. Planck: запущенный Европейским космическим агентством, спутник Planck (2009–2013 гг.) предоставил самую точную и подробную карту КМФИ на сегодняшний день. Он не только уточнил все предыдущие измерения, но и впервые составил карту поляризации излучения.
Современные исследования: поляризация и "напряженность Хаббла"
Сегодняшние исследования сосредоточены на изучении поляризации реликтового излучения — того, как ориентированы колебания его электромагнитных волн. Это похоже на изучение того, как свет отражается от поверхности.
Поляризация делится на два типа:
• E-моды: возникают из-за различий в плотности материи. Они уже хорошо изучены.
• B-моды: эти "закрученные" узоры поляризации могут быть вызваны двумя причинами: гравитационным линзированием (искажением света массивными объектами) или, что наиболее интригующе, первичными гравитационными волнами, которые, как считается, возникли в момент космической инфляции — периода сверхбыстрого расширения Вселенной сразу после Большого Взрыва.
Обнаружение этих первичных B-мод стало бы прямым доказательством теории инфляции и открыло бы окно в самые первые мгновения существования космоса.
Для этих тонких измерений используются как космические миссии, так и мощные наземные телескопы, расположенные в сухих и холодных местах, например, в пустыне Атакама в Чили.
• Атакамский Космологический Телескоп (ACT): этот наземный инструмент недавно завершил свою работу, предоставив карты поляризации с невероятно высоким разрешением, которые подтвердили данные спутника Planck.
• LiteBIRD и CMB-S4: это будущие проекты, которые обещают еще более высокую чувствительность. LiteBIRD — это японско-американско-европейский спутник, который будет искать B-моды из космоса. CMB-S4 — это масштабный наземный проект, который объединит множество телескопов для создания самой мощной обсерватории КМФИ.
Исследования реликтового излучения продолжают бросать вызов нашему пониманию Вселенной. Например, данные КМФИ и наблюдения за ближайшими галактиками дают разные значения для постоянной Хаббла (скорости расширения Вселенной), создавая так называемую "напряженность Хаббла". Разрешение этой фундаментальной загадки, вероятно, будет найдено в дальнейших, еще более точных измерениях самого древнего света, который продолжает нести нам послания из колыбели Вселенной.