Наука и жизньНаука

Эволюция Вселенной и открытие первой экзопланеты

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

В этом году Нобелевский комитет вновь обратил свой взор на работы, связанные с глубинами Вселенной, присудив премии «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе». Одну половину Нобелевской премии получит Джеймс Пиблс (James Peebles) «за теоретические открытия в физической космологии», а другую — разделят Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа».

От реликтового излучения до тёмной энергии

В прошлом веке в космологии утвердилась модель Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная развивается из первоначального очень плотного состояния. Эта модель стала продолжением представлений о расширяющейся Вселенной, математическую теорию которой в 1922 году вывел советский математик Александр Фридман из общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Независимо от него подобную идею выдвинул в 1927 году бельгийский астроном и священник Жорж Леметр, объяснявший расширением Вселенной разбегание туманностей. Он опирался на работы Эдвина Хаббла, с которыми познакомился годом ранее. Именно наблюдения Хаббла, опубликованные в 1929 году, привели к всеобщему признанию расширения Вселенной. А в 1931 году всё тот же Леметр в своей работе о «начале мира» выдвинул идею эволюции Вселенной из точечного состояния, которое он назвал «первобытным атомом».

Следующий шаг был сделан в конце 1940-х годов, когда в попытке объяснить происхождение элементов в нашей Вселенной Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Херман сформулировали первую модель горячего Большого взрыва. В соответствии с ней родившуюся Вселенную заполняла чрезвычайно горячая и плотная плазма из электронов, протонов, альфа-частиц (ядер гелия) и фотонов, которые находились в состоянии теплового равновесия с веществом. По мере расширения плазма охлаждалась. В некоторый момент (по современным оценкам, примерно через 400 000 лет после Большого взрыва) энергии фотонов перестало хватать на ионизацию вещества и началось образование нейтральных атомов. В 1948 году Георгий Гамов утверждал, что это произойдёт, когда плотность излучения будет примерно равной плотности вещества, при температуре в несколько тысяч градусов. Одновременно плазма стала прозрачной для электромагнитного излучения, которое начало свободно распространяться по Вселенной, просуществовав до наших дней. Альфер и Херман сделали вывод, что температура этого космического микроволнового фонового излучения (с подачи академика Иосифа Самуиловича Шкловского в нашей стране его часто называют реликтовым) в настоящее время должна была упасть до 5 градусов Кельвина.

Стоит пояснить, что такое температура электромагнитного излучения. Дело в том, что физики используют в качестве модели теплового излучения нагретых тел излучение так называемого абсолютно чёрного тела. Оно испускает электромагнитные волны всех частот, причём вид их спектра зависит только от температуры. (Спектром излучения называют зависимость его интенсивности от частоты.) Кстати, по характеристикам излучения к чёрному телу, нагретому до 6000 К, близко Солнце. Таким образом, температура излучения равна температуре абсолютно чёрного тела, испускающего его. А близость формы спектра излучения к чернотельному свидетельствует о его испускании нагретым телом. Именно чернотельный характер реликтового излучения впоследствии позволил утверждать, что происхождением оно обязано горячей Вселенной.

Своим вариантом теории горячего Большого взрыва в Принстонском университете занималась и группа Роберта Дикке, в которую входил молодой Джеймс Пиблс, защитивший в 1962 году под руководством Дикке докторскую диссертацию. Они независимо от Гамова (по словам Дикке, про него просто забыли) в 1964 году предсказали реликтовое излучение, для которого Пиблс рассчитал температуру 10 К, и даже начали строить антенну для его обнаружения. И тут выяснилось, что их опередили.

Американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон в 1964 году случайно сделали одно из важнейших открытий XX века — обнаружили реликтовое излучение и заслуженно получили за это Нобелевскую премию по физике 1978 года. Исследуя мощный радиоисточник Кассиопея А, они никак не могли избавиться от постоянного «шума», который антенна улавливала со всех направлений в космосе. Это означало, что источником шума не могла быть наша галактика Млечный Путь, видимая с Земли как полоса на небе. Своей бедой Пензиас поделился с радиоастрономом Бернардом Бёрком, который был знаком с результатами Пиблса. Их телефонный разговор стал переломным моментом в судьбе будущего нобелевского лауреата. Бёрк связал Пензиаса с Дикке, который сразу понял, что именно тот обнаружил. Как говорят, расстроенный Дикке пришёл к своим коллегам со словами: «Нас обскакали!».

Упустив шанс открыть реликтовое излучение, группа Дикке тем не менее стала первой, кто дал ему объяснение. Они быстро написали статью «Космическое чернотельное излучение», которая вышла в майском номере журнала «Astrophysical Journal Letters» за 1965 год одновременно со статьёй Пензиаса и Уилсона о совершённом ими открытии. Правда, про Большой взрыв там написано не было, речь шла только о том, что сделанное открытие подтверждает «расширение Вселенной от высокотемпературного коллапсированного состояния». Сами первооткрыватели в этой интерпретации уверены не были и назвали свою статью осторожно: «Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц». Отметим, что Пензиас и Уилсон предложили Дикке стать соавтором их статьи, но тот благородно отказался, сказав, что это исключительно их заслуга. Этим он, возможно, лишил себя Нобелевской премии.

Стоит отметить, что температура реликтового излучения 10 К, рассчитанная Пиблсом, и 3,5 К, измеренная Пензиасом и Уилсоном на их несовершенной аппаратуре, очень близка к современному значению 2,7 К. Это просто блестящий результат, тем более что атмосфера не пропускает бóльшую часть спектра фонового излучения и Пензиас с Уилсоном делали выводы на основании только длинноволновой его части. Чернотельность всего спектра была доказана лишь через 30 лет (Нобелевская премия по физике за 2006 год).

Но главный научный прорыв произошёл, когда Пиблс понял, что температура реликтового излучения может дать информацию о том, сколько и какой материи было создано в Большом взрыве. А высвобождение света сыграло решающую роль в том, как материя могла позже «сгуститься», формируя галактики и скопления галактик, которые мы сейчас видим в космосе. Первую статью на эту тему Пиблс опубликовал в 1965 году. В дальнейшем он одним из первых описал механизм образования реликтового излучения (независимо от него это сделали советские физики Яков Борисович Зельдович, Владимир Гдальевич Курт и Рашид Алиевич Сюняев) и увязал его с количеством гелия во Вселенной. Дело в том, что образование гелия из дейтерия требует высокой температуры и плотности. Чем плотнее Вселенная, тем больше образуется гелия. Когда же температура падает достаточно низко, то с отрывом излучения от вещества прекращается и нуклеосинтез. Причём более тяжёлые элементы вообще не образуются. Этот подход Пиблса сильно отличался от работ предыдущих десятилетий, когда считалось, что тяжёлые элементы возникли в результате Большого взрыва.