Реліктовий ефір

Тема нашої статті – новий ефір. Він не має відношення до ефіру старого, відкинутого теорією відносності (і точно не до того ефіру, який зараз криптовалюта). Розмова піде про реліктове випромінювання. Ви, напевно, вже знаєте, що це таке. Але автор не збирається обмежитися повторенням старих, вже відомих речей, а хоче розповісти про дійсно нове відкриття. Суть його полягає в тому, що вдалося виміряти швидкість Сонячної системи щодо деякої «абсолютної» системи відліку, пов’язаної з реліктовим випромінюванням. Але не будемо забігати вперед і розповімо все по порядку.

Після Великого вибуху Всесвіт розширюючись охолоджувався. Через секунду після «початку» температура впала до десятка мільярдів градусів. Таку температуру вже можна собі уявити. Вона звичайна для речовини, укладеної всередині атомних ядер, досягається при вибухах наднових, зустрічається всередині пульсарів.

У той час інтенсивно йшли ядерні реакції. Після того, як процес злипання нуклонів в ядра завершився, речовина представляла гарячу плазму з електронів, протонів і ядер гелію (а-частинок) з невеликою домішкою більш важких ядер. Нагріта плазма світилася, причому її температура була настільки велика, що пік інтенсивності теплового випромінювання плазми припадав на гамма-діапазон.

Всесвіт тим часом продовжував розширюватися, і протягом приблизно мільйона років нічого особливого більше не відбувалося. Потім, однак, температура впала настільки (приблизно до трьох тисяч градусів), що плазмовий стан речовини перестав бути термодинамічно вигідним. Перш випадково утворився нейтральний атом швидко руйнувався тепловим рухом. Тепер тепловий рух сповільнився, і атом при зіткненні струшувався недостатньо сильно, щоб іонізуватися. Кількох тисяч років вистачило на те, щоб вся речовина нейтралізувалася. Тепер Всесвіт був заповнений вже не плазмою, а розрідженим газом — сумішшю водню і гелію. І, звичайно, випромінюванням – з ним в цю бурхливу епоху катастрофічної нейтралізації начебто нічого не сталося.

Але тут з’ясувалося, що взаємини випромінювання і речовини докорінно змінилися. Раніше світлові кванти інтенсивно розсіювалися на заряджених частинках плазми, багаторазово поглиналися і перевипромінювалися. Речовина була для них непрозора, і випромінювання знаходилося в термодинамічній рівновазі з речовиною. Температура випромінювання падала разом з температурою речовини, так що до моменту утворення атомів від гамма-квантів не залишилося і сліду і основну частку у випромінюванні становили кванти видимого (конкретно — червоного) світла.

Зовсім не така ситуація склалася після нейтралізації. Нейтральні атоми розсіюють світло дуже слабо, і при незначній їх концентрації (Всесвіт розширювався все-таки вже мільйон років, і щільність речовини впала до того моменту до 10^-20 г/см³) світло вільно проходило через весь Всесвіт, не зазнавши жодного розсіювання. Випромінювання вийшло з термодинамічної рівноваги і зажило своїм власним життям.

Після нейтралізації речовини різко впав її внутрішній тиск. Згущення, що раніше випадково утворилися в плазмі швидко розсмоктувалися, і матерія в цілому була розподілена по Всесвіту рівномірно. Тепер нікчемний тиск вже не міг протистояти гравітаційному стисненню речовини.

Газ швидко втрачав однорідність і розпадався на окремі згустки. З цих згустків пізніше утворилися скупчення галактик, потім галактики, зірки, планети… Приблизно через два мільярди років після вибуху Всесвіт виглядав приблизно так само, як сьогодні.

А що ж стало з випромінюванням? Світло, яке ми можемо зараз сприймати, було випромінене дуже давно і пройшло дуже довгий шлях. Тут вступає в дію закон Хаббла: чим далі джерело сприйманого нами випромінювання, тим більше червоне зміщення цього випромінювання, що свідчить про велику швидкість видалення випромінюючого об’єкта від нас. У разі реліктового, що опинилося не при справах після утворення атомів випромінювання відстань до джерела настільки велика, що швидкість його видалення близька до швидкості світла. Червоне зміщення призводить до того, що частота сприйманого нами світла падає в тисячу разів.

Колір небес тому не червоний і навіть не інфрачервоний. Реліктове випромінювання в сучасну епоху відповідає рівноважному тепловому випромінюванню з температурою близько 2,7 (а не три тисячі!) градусів Кельвіна. Пік його інтенсивності припадає на мікрохвильовий радіодіапазон з довжиною хвилі близько міліметра.

Реліктове випромінювання було передбачене Гамовим і виявлено експериментально в 1965 році. Воно стало прямим експериментальним свідченням того, що світ дійсно колись знаходився при температурі в кілька тисяч градусів. Спостерігаючи реліктове випромінювання, ми ніби заглядаємо в ту епоху, коли «творіння» світу тільки починалося. Але пора, нарешті розповісти про відкриття, що послужило приводом до написання цієї статті.

Уявімо собі, що ми летимо на зорельоті з фотонним двигуном по Галактиці (кожен раз, коли слово «Галактика» пишеться з великої літери, мається на увазі наша Галактика — Чумацький Шлях). Якщо ми подивимося на зірки, то побачимо, що колір їх змінився. Попереду, у напрямку руху корабля, горять зірки яскраво-синього і навіть фіолетового кольору. Ззаду ж зірки як би зніяковіли – сині і білі густо почервоніли, ті ж, які і самі по собі червоні, сильно потьмяніли і майже зникли з небосхилу. Це явище, давно вже освоєне письменниками-фантастами, зобов’язане знайомому нам ефекту Доплера.

Є ще один ефект – ефект релятивістської аберації, сама назва якого вказує на його генетичний зв’язок зі спеціальною теорією відносності. Суть його в тому, що, з точки зору спостерігача, що рухається з великою швидкістю, зірки зсуваються зі своїх місць: спереду по руху корабля вони будуть розташовані густіше, а ззаду — рідше, ніж для нерухомого спостерігача. Разом з ефектом Доплера це призведе до того, що загальна яскравість зірок у напрямку руху корабля буде значно вище, ніж у напрямку, протилежному руху.

Але що таке Земля, як не гігантський зореліт? Саме ефект Доплера дозволив встановити, що Сонячна система обертається навколо центру Галактики зі швидкістю близько трьохсот кілометрів на секунду.

І саме за допомогою ефекту Доплера вдалося недавно знайти швидкість всієї нашої Галактики щодо системи відліку, пов’язаної з глобальним розподілом речовини у Всесвіті.

Виявилося, що температура і пов’язана з нею яскравість реліктового випромінювання залежать (хоча і дуже слабо) від напрямку, звідки випромінювання до нас приходить. Існує напрямок, в якому ця температура максимальна. У зворотному напрямку температура мінімальна. Ефект дуже малий – варіація яскравості не перевищує декількох тисячних часток градуса. Тому для того, щоб його виявити, потрібні були дуже точні і ретельні вимірювання. Реліктове випромінювання досить сильно поглинається атмосферою, і прилади довелося підняти на літаку на висоту тридцять кілометрів.

Інтерпретація цієї яскравої анізотропії (залежності від напрямку) дуже проста — Земля рухається відносно системи відліку, в якій випромінювання ізотропно. За величиною ефекту можна визначити значення швидкості. Вона виявляється рівною приблизно шестистам кілометрам в секунду, що мало в порівнянні зі швидкістю світла (тому так мало змінюється температура і так довго цей ефект залишався непоміченим), і порівнянна зі швидкістю обертання Галактики.

Слова «ефір» по відношенню до реліктового випромінювання слід застосовувати з обережністю. Єдиного для всього Всесвіту ефіру, що розуміється як абсолютна інерціальна система відліку, не існує. Такий ефір в ньому просто б не помістився – так само, як в ободі колеса не поміститься довга палиця. Малу ділянку нескінченно довгого обода, однак, цілком можна уявити собі як пряму палицю.

Подібна палиця і є «абсолютна» (у всякому разі, найбільш абсолютна з усіх) система відліку — «реліктовий ефір», щодо якого нещодавно вдалося визначити швидкість руху Землі і Галактики. Менш ефектний, але більш прояснює суть справи термін «супутня система відліку» — система, що відстежує великомасштабний рух речовини Всесвіту.

Куди ж все-таки ми летимо? Виявляється, що наша Галактика рухається зі швидкістю близько п’ятисот кілометрів в секунду в бік сузір’я Діви (незалежні дані двох різних груп практично збігаються).

У цьому сузір’ї, на відстані десяти мегапарсек від нас, знаходиться центр гігантського скупчення галактик – найпотужнішого в спостережуваній частині космосу. Галактики скупчення віддаляються від нас (або, вірніше, ми віддаляємося від них), як і належить за законом Хаббла, але, мабуть, гравітаційне тяжіння скупчення впливає на нашу Галактику (або, може бути, чинило вплив в минулому), і відносна швидкість розбігання виявляється менше, ніж якби такого впливу не було.

Звідси відразу видно інший спосіб вимірювання «абсолютної» швидкості нашої Галактики, ніяк не пов’язаний з реліктовим випромінюванням. Галактики, розташовані вздовж променя зору у напрямку нашого руху, повинні видалятися повільніше, а галактики, розташовані по променю проти руху, видаляються швидше.

Це означає, що емпірична величина постійної Хаббла, визначена за швидкостями порівняно близьких до нас галактик, зовсім не буде постійною, а залежить від області на небесній сфері, в якій ці галактики спостерігаються.

Судячи з усього, така анізотропія постійної Хаббла дійсно існує. Дані тут, на жаль, не дуже хороші: вимірювання відстаней до галактик — важке завдання; доводиться використовувати непрямі методи, вірні лише статистично. Тому експериментальні невизначеності у величині постійної Хаббла досить великі. Вони, однак, не настільки великі, щоб розбіжності між даними різних груп не вселяли деякого занепокоєння.

Треба сказати, що постійна Хаббла — надзвичайно важлива величина, через яку безпосередньо визначається вік Всесвіту. Збільште її значення в два рази, і ви отримаєте Всесвіт вдвічі молодше. Сам Хаббл сильно помилився у визначенні відстаней до галактик, з його розрахунків виходило, що вік Всесвіту – всього два мільярди років, менше віку Землі! Ця помилка була однією з причин, по якій Теорія Великого вибуху довго викликала сумніви. Прийняте сьогодні значення теж, на думку деяких астрономів, завелике. З нього виходить, що Всесвіту всього 10 мільярдів років, а це насилу можна поєднати з сучасними оцінками віку деяких зоряних скупчень. Єдиної точки зору тут, втім, немає, і можна сподіватися, що скоро питання задовільно вирішиться.

Протиріччя легко знімається, якщо допустити, що постійна Хаббла залежить від напрямку. На сьогодні зібрані всі наявні дані по її вимірюванню з урахуванням області на небесній сфері, де проводилися спостереження. Видно, що залежність дійсно є, постійна Хаббла мінімальна у напрямку нашого руху і максимальна в протилежному напрямку. Вкрай бажано, звичайно, зменшення помилок, які не дозволяють перетворити поки надзвичайно ймовірний висновок в достовірне знання.

Повернемося, однак, до реліктового випромінювання. Ефект руху Землі по відношенню до супутньої системі відліку, який завдяки ефекту Доплера призводить до температурної анізотропії випромінювання, дуже гарний, але по суті тривіальний. Для «нерухомого» спостерігача ця анізотропія пропаде.

На закінчення скажемо, що реліктове випромінювання далеко ще не розкрило всіх своїх таємниць. Дуже цікаво було б виявити справжню анізотропію випромінювання, пов’язану не з рухом сприймаючого приладу, а з реальною неоднорідністю речовини Всесвіту на стадії утворення атомів. Сучасні дані говорять про те, що така неоднорідність, якщо і була, то дуже маленькою. Значить, варто ще трохи збільшити точність вимірювання яскравості випромінювання, яка прямо пов’язана з щільністю речовини в той час, коли це випромінювання утворювалося, і природна анізотропія реліктового випромінювання буде виявлена. Відповідь на це питання дасть майбутнє.

Автор: А. Смолін.