Номер 09, 2009

Ископаемый свет Вселенной

Ракета «Ариан» ЕКА с космодрома Куру выведет на орбиту два спутника «Гершель» и «Планк». Это шаг к новому видению происхождения Вселенной и ее звезд.

Инфракрасная обсерватория «Гершель» будет интересоваться самыми первыми галактиками и рождающимися звездами. «Планк» погрузится еще дальше в историю космоса, ибо попытается услышать его первый «крик» света, вспыхнувший 13,7 миллиардов лет назад. Эти два спутника должны помочь представить первые мгновения мира.

Задача для «Планка»

Для понимания миссии «Планка» надо пойти вспять по времени к самому началу, к той странности, которую непонятно почему назвали Большим Взрывом, но которую физики не могут ввести в уравнения. Все случилось 13,7 млрд лет назад. Вселенная тогда была исключительно плотной и горячей, готовой для «взрыва» в кратчайший срок таким образом, что расстояния в мире росли по экспоненте. В тысячную долю секунды они выросли в 1026 раз.

Этот эпизод называется «инфляцией», он молниеносно «сделал Вселенную плоской». Она превратилась в пекло с температурой в сотню тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов по Цельсию (1032оС), внутри которого перемещаются частицы, сталкиваясь и аннигилируя, выбрасывая энергию и тут же преобразуясь. Короче, настоящий кипящий суп из частиц, в котором частицы со всех сторон толкают фотоны, отбрасывая их в разные стороны, как шарики пинг-понга.

Материя, раскаленная и непрозрачная, находится в термическом равновесии, похожем на то, что царит внутри печи, и она называется черным телом. Время течет, тысячелетие за тысячелетием. Вселенная продолжает расширяться и, расширяясь с крейсерской скоростью, неизбежно охлаждается. Когда температура падает до 3000 по Кельвину (примерно 2700оС), частицы успокаиваются и под воздействием электромагнитных сил собираются первые стабильные атомы водорода и гелия. Это так называемая эпоха рекомбинации.

Материя организуется. Фотоны, освободившись от хватки материи, уже не ведают препятствий и несутся прямо перед собой. Вселенная, став прозрачной, начинает испускать первый свет. Ее возраст равен примерно 380 тысячам лет. Этот первичный свет, называемый рассеянным космологическим фоном (далее – РКФ), освещает довольно однородную среду из газа и атомов. С тех пор она наполняет Вселенную. Между тем, поскольку размер ее увеличился в 1000 раз, температура параллельно упала до нынешних 3 Кельвинов (примерно 270оС).

Именно этим первым излучением света и будет интересоваться «Планк».

Вселенная похожа на губку

В 1940-е годы русский физик Георгий Гамов предсказал этот ископаемый свет в рамках модели Большого Взрыва. Этот свет был почти случайно открыт в мае 1965 года американцами Арно Пенциасом и Робертом Уилсоном. В тот год два астронома фирмы Белл создали радиоантенну, чтобы ловить сигналы «Телстара 1» – первого коммуникационного спутника. Но паразиты мешают первым наблюдениям. После проверки электронных схем и удаления голубиного помета с антенны исследователи с удивлением понимают, что этот шум, идентичный во всех направлениях, и есть знаменитое ископаемое излучение Гамова. Это открытие и блестящее подтверждение теории Большого Взрыва принесло им Нобелевскую премию по физике за 1978 год.

Но с тех пор все научное сообщество волнует один вопрос: каким образом подобное однообразие смогло родить столь разнообразный мир, богатый галактиками, звездами и планетами? И как объяснить его строгий порядок? Ибо галактики распределены во Вселенной не случайно: съемки глубокого неба, которые обнаружили и локализовали миллионы галактик, рисуют космическую географию, в которой группы галактик скапливаются на волокнах, окруженных великой пустотой. Вселенная в большом масштабе похожа на губку. Но откуда появились галактические стены? Для этого нужны были некоторые мелкие несообразности...

И космологи вновь ринулись в атаку на наше происхождение. В 1989 году НАСА запускает спутник для изучения ископаемого излучения, названный «Кобе» (Cosmic Background Explorer). Через год после запуска он уже с невероятной точностью определил, что РКФ имеет спектр черного тела с температурой 2,728 К. Теории Большого Взрыва, которые предвидели этот результат, снова подтвердились. С тех пор нет сомнений, что этот «холодный» свет, однородный во всех направлениях, происходит из того времени, когда Вселенная была намного меньше, плотнее и горячее.

Новая сенсация в 1992 году: НАСА демонстрирует первое изображение небесного фона, фотографию. Событие похоже на раскат грома для научного сообщества. Ибо на фотографии представлен невероятный сюрприз: в сердце этого прекрасного единообразия имеются крохотные отклонения температуры порядка нескольких миллионных градуса, крохотные зерна едва ли на 0,01% более плотные, чем остальная Вселенная, но которые несут в себе зародыши всех гигантов Вселенной.

Эти микроскопические соединения постепенно притягивают к себе через гравитацию окрестные атомы, потом газ и образуют громадные облака все более и более концентрированной материи. За последующие миллионы лет эти газовые ясли дали рождение галактикам, звездам, планетам и даже живым существам, которые населяют нашу крохотную Землю. Этот первый образ наших самых удаленных предков – ископаемое излучение и его зачатки галактик – был вознагражден Нобелевской премией по физике за 2006 год (создание двух инструментов «Cоbе»).

Поиск космологических корней продолжается 15 лет. Проведено 20 опытов с шарами и на земле (в частности, в Антарктике). В каждом тщательно исследовался кусочек неба для уточнения результатов «Cobe». Два опыта, «Бумеранг» и «Максима», показали в 2000 году, что геометрия пространства имеет почти эвклидовский характер, что означает: сумма углов треугольника действительно равна 180о (как если бы нарисовали треугольник на бумаге) – не больше не меньше (как если бы нарисовали треугольник на седле или шаре).

В 2003 году сделан еще один шаг с получением первых результатов зонда «WMAP» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Этот американский спутник первым дал полную карту фона неба и флуктуаций его температуры с разрешением до 0,3о. Астрофизики смогли с точностью установить состав Вселенной, подтвердив существование так называемой «черной энергии», из которой сегодня на 72% состоит Вселенная. Они также смогли подтвердить ее возраст (13,7 миллиардов лет) и ее геометрию.

Несмотря на эти этапы, которые глубоко трансформировали наше видение мира, ископаемое излучение должно сказать еще многое. Миссия «Планк» должна продолжить исследование этой новой границы космологии. Пока получено всего 10% данных по температурам и совсем ничего неизвестно о поляризации анизотропий. Анизотропии – мельчайшие изменения температуры, обнаруженные на космологическом фоне. Их поляризация может дать нам направление распространения излучения, а потому нести информацию о географии крупных структур Вселенной, образованных зародышами материи РКФ.

Рассеянный космологический фон немного похож на поверхность Солнца, чьи пятна и колебания говорят нам о том, что происходит внутри. Наблюдение ископаемого излучения должно позволить получить доступ к тому, что произошло до этой границы света. Поиск исходных сигналов позволит подтвердить нашу концепцию мира. Это почти философский поиск, усиленный исследовательским аспектом: существование или отсутствие чего-то равнозначный сигнал для ученых. «Планк» будет машиной для сбора материала, который позволит проверить теории зарождения структур Вселенной.

Возглас из Космоса

После первого светового «крика» Вселенная надолго замолчала. Устала? Вовсе нет! На самом деле в течение этого долгого периода, который называется темной эрой, появились крохотные зерна плотности. Они медленно сворачивали вокруг себя окружающую материю и за тысячелетия образовали скопления, волокна, листки. Между этими структурами с плотной ячеей появился вакуум. Вселенная все больше и больше напоминала губку.

За этими стенами материи обширные водородные облака достигли массы сотен тысяч звезд и схлопнулись – в ночи зажглись тысячи огней. Родились первые звезды – «Планк» и должен просветить нас об этой эпохе. Юной Вселенной было всего 300–400 миллионов лет. Но этот эпизод был лишь искоркой. Первые звезды были громадными газовыми пузырями из водорода и гелия, которые сгорали с бешеной скоростью и взрывались ярчайшими сверхновыми. Хотя это первое поколение и было эфемерным, но оно оставило Вселенной первые тяжелые элементы – от углерода до железа, – выкованные в сердце сверхновых при слиянии атомов водорода и гелия.

С этого момента все шло не так, как прежде. Эти тяжелые ядра, рассеянные в пространстве бурями сверхновых, обогатили газовые облака, а потом дали рождение первому поколению звезд. Примерно в ту же эпоху возникли самые первые кирпичи галактик, «протогалактики». На что они походили? Никто этого сказать не может, ибо никто их не наблюдал.

Сегодня астрономы рассчитывают на спутник «Гершель», чтобы восполнить лакуну. Эта миссия, уносящая в космос телескоп диаметром 3,5 м, будет вглядываться в далекое небо в инфракрасном диапазоне. «Гершель» сможет видеть сквозь облака пыли и улавливать слабый свет самых первых галактик. Вероятнее всего, эти протогалактики имели размер крупных скоплений звезд. В ту эпоху Вселенная была меньше и плотнее чем сейчас. Маленькие кирпичи галактик располагались поблизости друг от друга. Из-за сил гравитации они входили в столкновения, объединялись друг с другом и росли, занимаясь каннибализмом. Каждое из столкновений вызывало трение газовых облаков. Ударные волны нарушали равновесие и вызывали местные схлопывания, зажигая новые звезды. Каждый эпизод галактического слияния сопровождался всплеском рождения звезд. Постепенно от столкновений до переваривания галактики достигли своих современных размеров.

Но сия прекрасная история не так идеальна, как кажется, если присмотреться к деталям. Модели плохо отражают то, что мы наблюдаем. То, что предсказывается, реализуется намного медленнее. Нам неизвестны размеры протогалактик. Некоторые теории описывают размеры в миллион солнечных масс. Но в таком случае нашим моделям не удается быстро создать крупные галактики.

Чтобы получить то, что мы наблюдаем, надо смешать 100 000 таких скоплений в крайне короткое время. Исключительно трудная операция: значит, некоторое звено отсутствует. Если только не подойти к проблеме с другого конца. А вдруг крупные галактики образовались одновременно? Если предыдущая модель (ее называют иерархическим ростом) требовала многих миллиардов лет, чтобы получить столь громадную галактику как Млечный путь, то модель рассеивающего схлопывания решает вопрос менее чем за миллиард лет.

Для понимания следует вернуться к нашим гроздьям РКФ, которые растут и полнеют с течением времени, достигая масс, которые намного превышают массы протогалактик предыдущей модели. Эти громадные газопылевые облака делятся и схлопываются, чтобы дать рождение очень ярким галактикам, полным звезд и пыли. Этот сценарий интересен тем, что с высокой скоростью производит массивные галактики. Но он не объясняет, почему мы видим все более и более мелкие галактики, когда идем вспять по времени... Более того, по этой модели надо много времени на фрагментацию исходного громадного облака, а потому галактики не могли сформироваться, пока Вселенная не достигла возраста 3 миллиардов лет. И как объяснить, что галактики наблюдаются в ее ранней истории?

Поэтому астрономы имеют дело с двумя противостоящими и неполными сценариями – эти две проблемы пока не разрешимы. Если только реальность не столь противоположна, и обе модели сосуществовали... Что оправдало бы разнообразие форм галактик (спирали, эллипсы, иррегулярности). Даже если астрономы склоняются к иерархическому сценарию, история вовсе не заканчивается. Ибо наши модели формирования галактик неполны.

Ну, а «Гершель»?..

Аппарат является основным джокером на руках астрономов. Миссия «Гершеля»: наложить лапу на первые звездные деревни, то есть обнаружить самые далекие галактики, которые являются предками нашего Млечного пути. «Гершель» удвоит дистанцию видения галактик по сравнению со своими предшественниками. Он позволит заглянуть на 10-11 миллиардов световых лет назад. В эту эпоху галактики уже сформировались, и это позволит нам заглянуть в их историю. И, быть может, ответить на мучающий астрономов вопрос: в какой момент сформировались первые галактики?

Появились ли они одновременно или есть «фабрика» галактик, которая беспрерывно работает до сих пор? Наконец, остается вопрос курицы и яйца, а вернее – галактики и звезды. Кто родился первым? Миссия «Гершель» имеет амбициозную программу по мерке своего гигантского телескопа, способного поймать свет от этих обитателей из глубин времен.

Спутник «Гершель» (внизу) уносит самый большой телескоп, отправленный в пространство, чтобы пронзить взглядом облака космической пыли и понять, как рождаются звезды. Что касается «Планка», то он оборудован новейшими датчиками, чтобы попытаться услышать первый «крик света» Вселенной, раздавшийся 13,7 миллиарда лет назад.

ЭТАПЫ РОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Имея сегодня возраст 13,7 миллиардов лет, Вселенная вначале прошла этап инфляции, которая значительно расширила ее. Надо ждать еще 380 000 лет, чтобы произошла рекомбинация атомов, вызвавших проход первых фотонов космологического излучения.

Тремястами миллионами лет позже зажглись первые звезды и, несомненно, появились первые кирпичи галактик.

ВИДЕНИЕ КОСМОСА БУДЕТ ТОЧНЕЕ

Эти изображения рассеянного космологического фона (РФК) сделаны спутниками «Cobe» в 1992 году (1) и «WMAP» в 2003 году (2). Последнее изображение (3) является моделью того, что должен увидеть «Планк» завтра. По мнению нобелевского лауреата по физике Джорджа Смута «с «Cobe» мы были близоруки, как если бы с земной орбиты могли различать только пять континентов. С «WMAP» изображение еще было размытым, но мы уже видели крупные острова. «Планк» даст нам идеальное зрение, которое позволит разглядеть Париж: мы будем наблюдать структуры внутри структур, открытых двумя первыми спутниками».

НАС ОКРУЖАЕТ ПАУТИНА

Эта цифровая модель крупных структур Вселенной разработана французскими учеными с помощью крупнейшего европейского компьютера, установленного в Барселоне (Испания). Созданное на основе данных по РКФ, это виртуальное воспроизведение части Вселенной рассчитывает формирование и эволюцию структур в крупном масштабе. Внутри куба со стороной, равной 150 миллионам световых лет (фото вверху), можно видеть, как галактики и темная материя собираются в волокна, образующие обширную паутину. Рядом: деталь одного из волокон, показывающая гигантское скопление галактик внутри него.

На фотографии, сделанной 10 августа 2008 года телескопом «Хаббл», эта газопылевая туманность (NGC 2074) расположена в Большом Магеллановом облаке в 170 000 световых лет от нас. Фантастический пейзаж шириной 100 световых лет изуродован мощным ультрафиолетовым излучением, исходящим от молодых звезд. Вверху – туманность Лошадиная голова. В нижней части – формирующиеся звезды.

КАК ГАЗОВОЕ ОБЛАКО СЖИМАЕТСЯ В ЗВЕЗДУ?

Колыбель звезды – прежде всего обширное облако водородного газа, могущее иметь массу тысяч солнц. Это темное судно может долго плавать в галактике, когда ему ничто не мешает. Но однажды некое событие – сверхплотная волна от взрыва звезды, встреча с другим облаком – локально меняет физические условия. Облако теряет равновесие, и тогда начинает действовать гравитация, создавая схлопывания материи, которые дадут рождение газопылевым шарам. Эти «ядра» будут продолжать схлопываться, пока атомы не соединятся и не начнут излучать: термоядерные реакции выделяют достаточно энергии для противовеса силе гравитации. Рождается звезда.

Но астрономы не понимают, как осуществляется переход от инертного молекулярного облака к сверкающей звезде.

Нет кусочка мозаики. Мы еще никогда не видели этапа конденсации облака. Ибо этот эпизод зарождения происходит при низких температурах, которые видимы лишь в радиоволнах и инфракрасном излучении. Когда оптическим телескопам удается различить свет внутри облака, уже слишком поздно: звезда родилась или вот-вот родится. А что происходит до того?

«Гершель» поможет увидеть протозвезды, холодные объекты с температурой примерно 50 К, которые выделяют излучения в далеком инфракрасном спектре. Пока такие волны неизвестны. На этот раз датчики позволят отслеживать все первые фазы отделения звезды от исходного кокона. От зачатия до рождения генезис звезд должен вскоре открыть свои тайны...

К началу ^