Реликтовый эфир

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Тема нашей статьи — новый эфир. Он не имеет отношения к эфиру старому, отвергнутому теорией относительности (и точно не к тому эфиру, который сейчас криптовалюта). Разговор пойдет о реликтовом излучении. Вы, наверное, уже знаете, что это такое. Но автор не собирается ограничиться повторением старых, уже известных вещей, а хочет рассказать о действительно новом открытии. Суть его состоит в том, что удалось измерить скорость Солнечной системы относительно некоторой «абсолютной» системы отсчета, связанной с реликтовым излучением. Но не будем забегать вперед и расскажем все по порядку.

После Большого взрыва Вселенная расширяясь охлаждалась. Через секунду после «начала» температура упала до десятка миллиардов градусов. Такую температуру уже можно себе представить. Она обычна для вещества, заключенного внутри атомных ядер, достигается при взрывах Сверхновых, встречается внутри пульсаров.

В то время интенсивно шли ядерные реакции. После того, как процесс слипания нуклонов в ядра завершился, вещество представляло горячую плазму из электронов, протонов и ядер гелия (а-частиц) с небольшой примесью более тяжелых ядер. Нагретая плазма светилась, причем ее температура была настолько велика, что пик интенсивности теплового излучения плазмы приходился на гамма-диапазон.

Вселенная между тем продолжала расширяться, и в течение примерно миллиона лет ничего особенного больше не происходило. Затем, однако, температура упала настолько (примерно до трех тысяч градусов), что плазменное состояние вещества перестало быть термодинамически выгодным. Прежде случайно образовавшийся нейтральный атом быстро разрушался тепловым движением. Теперь тепловое движение замедлилось, и атом при столкновении встряхивался недостаточно сильно, чтобы ионизоваться. Нескольких тысяч лет хватило на то, чтобы все вещество нейтрализовалось. Теперь Вселенная была заполнена уже не плазмой, а разреженным газом — смесью водорода и гелия. И, конечно, излучением — с ним в эту бурную эпоху катастрофической нейтрализации вроде бы ничего не случилось.

Но тут выяснилось, что взаимоотношения излучения и вещества коренным образом изменились. Раньше световые кванты интенсивно рассеивались на заряженных частицах плазмы, многократно поглощались и переизлучались. Вещество было для них непрозрачно, и излучение находилось в термодинамическом равновесии с веществом. Температура излучения падала вместе с температурой вещества, так что к моменту образования атомов от гамма-квантов не осталось и следа и основную долю в излучении составляли кванты видимого (конкретно — красного) света.

Совсем не такая ситуация сложилась после нейтрализации. Нейтральные атомы рассеивают свет очень слабо, и при ничтожной их концентрации (Вселенная расширялась все-таки уже миллион лет, и плотность вещества упала к тому моменту до 10^-20 г/см³) свет свободно проходил через всю Вселенную, не испытав ни одного рассеяния. Излучение вышло из термодинамического равновесия со ставшим прозрачным для него веществом и зажило своей собственной жизнью.

После нейтрализации вещества резко упало его внутреннее давление. Раньше случайно образовавшиеся в плазме сгущения быстро рассасывались, и материя в целом была распределена по Вселенной равномерно. Теперь ничтожное давление уже не могло противостоять гравитационному сжатию вещества.

Газ быстро терял однородность и распадался на отдельные сгустки. Из этих сгустков позже образовались скопления галактик, затем галактики, звезды, планеты… Примерно через два миллиарда лет после взрыва Вселенная выглядела приблизительно так же, как сегодня.

А что же стало с излучением? Свет, который мы можем сейчас воспринимать, был излучен очень давно и прошел очень долгий путь. Здесь вступает в действие закон Хаббла: чем дальше источник воспринимаемого нами излучения, тем больше красное смещение этого излучения, свидетельствующее о большой скорости удаления излучающего объекта от нас. В случае реликтового, оказавшегося не у дел после образования атомов излучения расстояние до источника столь велико, что скорость его удаления близка к скорости света. Красное смещение приводит к тому, что частота воспринимаемого нами света падает в тысячу раз.

Цвет небес поэтому не красный и даже не инфракрасный. Реликтовое излучение в современную эпоху соответствует равновесному тепловому излучению с температурой около 2,7 (а не три тысячи!) градусов Кельвина. Пик его интенсивности приходится на микроволновой радиодиапазон с длиной волны порядка миллиметра.

Реликтовое излучение было предсказано Гамовым и обнаружено экспериментально в 1965 году. Оно явилось прямым экспериментальным свидетельством того, что мир действительно некогда находился при температуре в несколько тысяч градусов. Наблюдая реликтовое излучение, мы как бы заглядываем в ту эпоху, когда «творение» мира только начиналось. Но пора, наконец рассказать об открытии, послужившем поводом к написанию этой статьи.

Представим себе, что мы летим на звездолете с фотонным двигателем по Галактике (каждый раз, когда слово «Галактика» пишется с заглавной буквы, имеется в виду наша Галактика — Млечный Путь). Если мы посмотрим на звезды, то увидим, что цвет их изменился. Впереди, по направлению движения корабля, горят звезды ярко-синего и даже фиолетового цвета. Сзади же звезды как бы смутились — синие и белые густо покраснели, те же, которые и сами по себе красные, сильно потускнели и почти исчезли с небосвода. Это явление, давно уже освоенное писателями-фантастами, обязано знакомому нам эффекту Доплера.

Есть еще один эффект — эффект релятивистской аберрации, само название которого указывает на его генетическую связь со специальной теорией относительности. Суть его в том, что, с точки зрения наблюдателя, движущегося с большой скоростью, звезды сдвигаются со своих мест: спереди по движению корабля они будут расположены гуще, а сзади — реже, чем для неподвижного наблюдателя. Вместе с эффектом Доплера это приведет к тому, что общая яркость звезд по направлению движения корабля будет значительно выше, чем в направлении, противоположном движению.

Но что такое Земля, как не гигантский звездолет? Именно эффект Доплера позволил установить, что Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около трехсот километров в секунду.

И именно с помощью эффекта Доплера удалось недавно найти скорость всей нашей Галактики относительно системы отсчета, связанной с глобальным распределением вещества во Вселенной.

Оказалось, что температура и связанная с ней яркость реликтового излучения зависят (хотя и очень слабо) от направления, откуда излучение к нам приходит. Существует направление, в котором эта температура максимальна. В обратном направлении температура минимальна. Эффект очень мал — вариация яркости не превышает нескольких тысячных долей градуса. Поэтому для того, чтобы его обнаружить, потребовались очень точные и тщательные измерения. Реликтовое излучение довольно сильно поглощается атмосферой, и приборы пришлось поднять на самолете на высоту тридцать километров.

Интерпретация этой яркостной анизотропии (зависимости от направления) очень проста — Земля движется относительно системы отсчета, в которой излучение изотропно. По величине эффекта можно определить значение скорости. Она оказывается равной примерно шестистам километрам в секунду, что мало по сравнению со скоростью света (поэтому так мало меняется температура и так долго этот эффект оставался незамеченным), и сравнима со скоростью вращения Галактики.

Слова «эфир» по отношению к реликтовому излучению следует применять с осторожностью. Единого для всей Вселенной эфира, понимаемого как абсолютная инерциальная система отсчета, не существует. Такой эфир в ней просто бы не поместился — так же, как в ободе колеса не поместится длинная палка. Малый участок бесконечно длинного, обода, однако, вполне можно представить себе как прямую палку.

Подобная палка и есть «абсолютная» (во всяком случае, наиболее абсолютная из всех) система отсчета — «реликтовый эфир», относительно которого недавно удалось определить скорость движения Земли и Галактики. Менее эффектен, но более проясняет суть дела термин «сопутствующая система отсчета» — система, отслеживающая крупномасштабное движение вещества Вселенной.

Куда же все-таки мы летим? Оказывается, что наша Галактика движется со скоростью около пятисот километров в секунду в сторону созвездия Девы (независимые данные двух разных групп практически совпадают).

В этом созвездии, на расстоянии десяти мегапарсек от нас, находится центр гигантского скопления галактик — самого мощного в наблюдаемой части космоса. Галактики скопления удаляются от нас (или, вернее, мы удаляемся от них), как и положено по закону Хаббла, но, видимо, гравитационное притяжение скопления оказывает влияние на нашу Галактику (или, может быть, оказывало влияние в прошлом), и относительная скорость разбегания оказывается меньше, чем если бы такого влияния не было.

Отсюда сразу виден другой способ измерения «абсолютной» скорости нашей Галактики, никак не связанный с реликтовым излучением. Галактики, расположенные вдоль луча зрения по направлению нашего движения, должны удаляться медленнее, а галактики, расположенные по лучу против движения, удаляются быстрее.

Это значит, что эмпирическая величина постоянной Хаббла, определенная по скоростям сравнительно близких к нам галактик, вовсе не будет постоянной, а зависит от области на небесной сфере, в которой эти галактики наблюдаются.

Судя по всему, такая анизотропия постоянной Хаббла действительно существует. Данные здесь, к сожалению, не очень хорошие: измерение расстояний до галактик — трудная задача; приходится использовать непрямые методы, верные лишь статистически. Поэтому экспериментальные неопределенности в величине постоянной Хаббла довольно велики. Они, однако, не настолько велики, чтобы расхождения между данными разных групп не внушали некоторого беспокойства.

Надо сказать, что постоянная Хаббла — чрезвычайно важная величина, через которую непосредственно определяется возраст Вселенной. Увеличьте ее значение в два раза, и вы получите Вселенную вдвое моложе. Сам Хаббл сильно ошибся в определении расстояний до галактик, из его расчетов получалось, что возраст Вселенной — всего два миллиарда лет, меньше возраста Земли! Эта ошибка была одной из причин, по которой теория Большого взрыва долго вызывала сомнения. Принятое сегодня значение тоже, по мнению некоторых астрономов, великовато. Из него получается, что Вселенной всего 10 миллиардов лет, а это с трудом можно совместить с современными оценками возраста некоторых звездных скоплений. Единой точки зрения здесь, впрочем, нет, и можно надеяться, что скоро вопрос удовлетворительно разрешится.

Противоречие легко снимается, если допустить, что постоянная Хаббла зависит от направления. На сегодня собраны все имеющиеся данные по ее измерению с учетом области на небесной сфере, где проводились наблюдения. Видно, что зависимость действительно есть, постоянная Хаббла минимальна по направлению нашего движения и максимальна в противоположном направлении. Крайне желательно, конечно, уменьшение ошибок, которые не позволяют превратить пока чрезвычайно вероятное заключение в достоверное знание.

Вернемся, однако, к реликтовому излучению. Эффект движения Земли по отношению к сопутствующей системе отсчета, который благодаря эффекту Доплера приводит к температурной анизотропии излучения, очень красив, но в сущности тривиален. Для «неподвижного» наблюдателя эта анизотропия пропадет.

В заключение скажем, что реликтовое излучение далеко еще не раскрыло всех своих тайн. Очень интересно было бы обнаружить истинную анизотропию излучения, связанную не с движением воспринимающего прибора, а с реальной неоднородностью вещества Вселенной на стадии образования атомов. Современные данные говорят о том, что такая неоднородность, если и была, то очень маленькой. Значит, стоит еще немного увеличить точность измерения яркости излучения, которая прямо связана с плотностью вещества в то время, когда это излучение образовывалось, и природная анизотропия реликтового излучения будет обнаружена. Ответ на этот вопрос даст будущее.

Автор: А. Смолин.