2.Реликтовое излучение

Открытие микроволнового фонового излучения справедливо считают эпохальным достижением астрофизики XX века. По современным данным, оно возникло спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва, давшего начало нашей Вселенной. В это время космическое пространство было заполнено плазмой из протонов, электронов и ионов гелия, которая находилась в термодинамическом равновесии с горячим электромагнитным излучением. Когда плазма остыла примерно до 4000 градусов, началось образование электронейтральных атомов гелия и водорода (так называемая рекомбинация — процесс, обратный ионизации, то есть образование нейтральных частиц из заряженных), поскольку для их ионизации уже не хватало тепловой энергии. Вследствие этого Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения, которое отныне могло распространяться на любые расстояния.

Эти световые кванты сохранились с юности мироздания до наших дней (именно поэтому известный советский астрофизик Иосиф Шкловский предложил назвать это излучение реликтовым). Температура реликтового излучения падала обратно пропорционально расширению Вселенной. Поскольку с времен «великого просветления» Космоса его линейные размеры возросли на три порядка, степень нагрева (то есть энергия) реликтового излучения уменьшилась в то же число раз. Однако и в нынешнем виде сильно охлажденном состоянии реликтовое излучение несет чрезвычайно важную информацию о начальных стадиях эволюции Космоса.

Из так называемой горячей модели рождения Вселенной вытекает, что спектр нынешнего реликтового излучения должен почти точно совпадать со спектром абсолютно черного тела с температурой около 2,7 кельвина. Почти — но все же не полностью. Спектр излучения черного тела совершенно гладкий, а вот спектру микроволнового излучения полагается немного «рябить». Иначе говоря, температура квантов, приходящих с разных участков небосвода, должна показывать очень слабые флуктуации. Сначала теоретики считали, что их амплитуда составляет примерно одну тысячную градуса, однако еще до запуска COBE ученые пришли к выводу, что на деле она должна быть в сто раз меньше.

Согласно теории, эти флуктуации выдавали наличие пространственных неоднородностей в распределении материи, рожденной Большим взрывом. Именно эти неоднородности, своего рода «завитки» в структуре пространства-времени, сделали возможным рождение галактик и галактических скоплений. Таким образом, тонкий анализ спектра фонового излучения в принципе позволял выявить распределение вещества в молодой Вселенной. Однако для этого нужны были приборы, установленные на космических платформах, поскольку земная атмосфера поглощает многие участки этого спектра.

Но теория есть теория, а наблюдения есть наблюдения. Реликтовое излучение было предсказано американскими физиками Ральфом Алфером и Робертом Германом в 1947 году и через 17 лет практически случайно обнаружено их соотечественниками Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. С тех пор его изучали весьма тщательно — как с поверхности земли (точнее, с вершин высоких гор), так и со стратостатов и геофизических ракет. В 80-е годы несколько групп астрофизиков объявили, что его спектр отличается от чернотельного куда сильнее, нежели позволяет уже почти общепринятая к тому времени модель Большого взрыва. Хотя эти утверждения имели под собой куда как непрочное основание, они всё же вызывали сомнения в правильности модели. Требовался решающий эксперимент, который должен был или снять эти возражения, или подтвердить их.

Таким экспериментом и стал запуск COBE. Он проработал в космосе четыре года, но основные результаты дал гораздо раньше. Его приборы с абсолютной убедительностью подтвердили, что спектр реликтового излучения строго соответствует требованиям модели горячего рождения Вселенной. Была точно измерена его температура (2,726 К) и обнаружены ее флуктуации (так называемая анизотропия излучения), причем с амплитудой порядка одной стотысячной доли градуса, как того и требовала теория. Это окончательно убедило ученых, что у концепции Большого взрыва нет серьезных конкурентов.

За «Открытие анизотропии и чернотельной структуры энергетического спектра космического микроволнового фонового излучения»  Джон Мазер (John C.Mather, Центр космических полетов имени Годдарда) и Джордж Смут (George F.Smoot, Калифорнийский университет в Беркли) получили Нобелевскую премию 2006 года по физике. Великий космолог Стивен Хокинг в интервью «Таймс» назвал эти результаты величайшим научным открытием XX столетия. Эта оценка несколько завышена, но достижения Мазера и Смута, безусловно, стоят Нобелевской премии.