Если включить чувствительный радиоприёмник и покрутить ручку между станциями, вы услышите шипение. Частично это техника и атмосфера, частично — помехи от Земли. Но в этом шуме есть доля, которая пришла из самого раннего детства Вселенной. Это и есть реликтовый фон — ровное слабое свечение, которое заполняет всё пространство.
«Свет, который не мог уйти»: откуда берётся реликтовое излучение
В первые минуты после рождения Вселенной всё было не похоже на привычный космос. Не было прозрачного пространства и чёрного неба. Был горячий плотный туман из частиц и света.
Свет тогда не летел свободно. Фотон пытался пройти вперёд, сталкивался со свободным электроном, менял направление и снова сталкивался. Получался кипящий «суп», где вещество и излучение были тесно связаны.
Через сотни тысяч лет Вселенная расширилась и остыла. Наступила эпоха, которую называют рекомбинацией: электроны стали связываться с протонами, образуя нейтральный водород. Свободных электронов стало намного меньше, и свет наконец получил возможность идти прямо. Этот момент иногда называют последним рассеянием: последние удары фотонов о электроны.
С тех пор этот свет летит уже почти 14 миллиардов лет. Но по пути Вселенная продолжала расширяться, и длина волны растянулась. То, что было горячим излучением видимого и инфракрасного диапазона, стало микроволнами. Поэтому реликтовый фон ещё называют космическим микроволновым фоном.
Почему он похож на шум
Реликтовый фон почти одинаков во всех направлениях. Если смотреть на небо радиотелескопом, кажется, что оно «светится» ровным слоем. Температура этого излучения сегодня около 2,725 Кельвина — это очень холодно, всего на пару градусов выше абсолютного нуля. Слово «шум» здесь бытовое. Для приборов это просто слабый фон, который можно принять за помеху.
Кто его нашёл и почему открытие получилось случайным
В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали с рупорной антенной и пытались убрать лишний шум в системе связи. Они чистили оборудование, проверяли усилители, даже вычищали то, что мешало антенне. Но часть шума не исчезала и приходила одинаково со всех направлений.
Почти одновременно другая группа учёных обсуждала, что после горячей ранней Вселенной должно остаться слабое фоновое излучение. Совпадение сложилось в картину: то, что инженеры и радиофизики считали странной помехой, оказалось следом далёкого прошлого.
«Пятнышки на ровном фоне»: зачем искать микроскопические неоднородности
Если реликтовый фон почти одинаковый, что в нём вообще интересного? Самое важное — в отклонениях. На уровне примерно одной стотысячной доли температура фона чуть-чуть отличается в разных точках неба.
Эти микроскопические неоднородности — следы того, как в ранней Вселенной распределялась материя и энергия. Там, где было чуть плотнее, гравитация со временем стягивала вещество сильнее. Именно из этих «зёрен» выросли галактики, скопления и огромная космическая паутина.
В начале 1990-х спутник COBE впервые уверенно показал такие неоднородности и оценил их масштаб: порядка одной части на 100 000.
Позже миссии WMAP и Planck сделали эти карты намного точнее: они измеряли не просто уровень отклонений, а их рисунок на разных угловых масштабах. Это похоже на то, как по структуре волн на поверхности можно понять, что происходило в глубине.
Что реликтовый фон рассказывает о составе Вселенной
Главный подарок реликтового фона — точные числа. По форме неоднородностей можно вычислить параметры, которые трудно достать другим способом. Например, современная картина космологии описывает Вселенную так: обычное вещество, из которого сделаны звёзды, планеты и мы, — всего небольшая доля. Остальное приходится на тёмную материю и тёмную энергию. По данным миссии Planck в стандартной модели получается примерно так: около 5% — обычное вещество, около 27% — тёмная материя и около 68% — тёмная энергия.
Реликтовый фон помогает и с возрастом Вселенной, и с её геометрией, как быстро расширяется, как менялась скорость расширения.
Почему этот сигнал трудно измерять и как его отделяют от всего лишнего
Реликтовый фон слабый. А вокруг нас — шумная реальность: радиопомехи, атмосфера, излучение нашей Галактики, тёплая Земля. Поэтому измерения требуют хитрой техники. Спутники наблюдали из космоса, чтобы уйти от атмосферы. Радиотелескопы на Земле выбирают высокие места, узкие диапазоны частот и тщательно калибруют приборы. Отдельная работа — вычесть «передний план»: вклад Млечного Пути и других источников. Это похоже на попытку услышать тихую мелодию в комнате, где одновременно играет громкая музыка. Сначала нужно понять, что именно играет громко, и математически убрать это из записи.