Pochemu noch'yu nebo temnoe? (Fonovye izlucheniya i stroenie Vselennoi)
2.03.1997 17:46 | V.M. Charugin/Vselennaya i My

Odnim iz osnovnyh istochnikov informacii ob okruzhayushei nas Vselennoi yavlyaetsya elektromagnitnoe izluchenie. Pri nablyudeniyah v opticheskom i radiodiapazonah astronomy ispol'zuyut obychnye teleskopy i antenny s radiopriemnikami. V infrakrasnom, ul'trafioletovom, rentgenovskom i gamma-diapazonah ispol'zuyutsya metody vneatmosfernoi astronomii, primenenie kotoryh trebuet vynosa teleskopov za predely zemnoi atmosfery, pogloshayushei i otrazhayushei eti vidy izluchenii. Vo vseh diapazonah elektromagnitnogo spektra nablyudayutsya izolirovannye (diskretnye) istochniki izlucheniya, takie kak Solnce, zvezdy, galaktiki, kvazary. V samye moshnye opticheskie teleskopy vidny ob'ekty, nahodyashiesya na rasstoyanii do 8 milliardov svetovyh let. Poluchaemaya ot nih informaciya govorit ne tol'ko ob ih fizicheskoi prirode, no i o fizicheskih usloviyah, imevshih mesto vo Vselennoi milliardy let tomu nazad.

Naryadu s naibolee yarkimi diskretnymi istochnikami nablyudaetsya bol'shoe kolichestvo slabyh, dalekih, vo mnogih sluchayah prakticheski nerazreshennyh istochnikov. Ih izluchenie nazyvayut fonovym vnegalakticheskim izlucheniem. Issledovanie etogo fonovogo izlucheniya nerazreshennyh vnegalakticheskih istochnikov pozvolyaet glubzhe zaglyanut' v proshloe Vselennoi.

Naryadu s fonovym izlucheniem, za kotoroe otvetstvenny dalekie diskretnye istochniki, nablyudeniya pokazyvayut sushestvovanie vnegalakticheskogo fonovogo izlucheniya, ne svyazannogo s izlucheniem izvestnyh tipov kosmicheskih istochnikov. Ono prihoditsya na mikrovolnovyi diapazon dlin voln ot 60 sm do 0.6 mm (diapazon chastot ot 500 MGc do 500 GGc) i otlichaetsya ravnovesnym spektrom, opisyvaemym formuloi Planka s temperaturoi 2.7 K. Eto izluchenie svyazyvayut so svoistvami Vselennoi v celom. Ono harakterizuet goryachee sostoyanie veshestva vo Vselennoi na rannih etapah ee evolyucii, zadolgo do momentov obrazovaniya diskretnyh istochnikov. Izvestnyi sovetskii astronom I. S. Shklovskii predlozhil nazyvat' eto mikrovolnovoe fonovoe izluchenie reliktovym. Ono pozvolyaet issledovat' fizicheskie usloviya Vselennoi na rannih stadiyah ee evolyucii, kogda ne sushestvovalo ni galaktik, ni kvazarov, ni drugih diskretnyh istochnikov. Na ris. 1 predstavleny nablyudaemye spektry reliktovogo i fonovyh izluchenii vo vsem dostupnom nablyudeniyam diapazone dlin voln.

Obshie svedeniya o strukture i evolyucii Vselennoi

Interes k fonovomu izlucheniyu voznik bolee dvuh s polovinoi stoletii tomu nazad. Imenno v to vremya poluchilo burnoe razvitie teleskopostroenie i povysilsya interes k astronomicheskim issledovaniyam. Naibolee prostaya model' Vselennoi, kotoraya poluchalas' na osnove nablyudenii togo vremeni, sootvetstvovala modeli staticheskoi beskonechnoi Vselennoi, bolee ili menee odnorodno zapolnennoi zvezdami. Statichnost' Vselennoi sledovala iz postoyanstva polozhenii zvezd otnositel'no drug druga. Predpolozhenie o beskonechnosti Vselennoi osnovyvalos' skoree na filosofskih soobrazheniyah o beskonechnosti i neischerpaemosti okruzhayushego mira. Krome togo, soglasno zakonu Vsemirnogo tyagoteniya, veshestvo v konechnoi Vselennoi rano ili pozdno dolzhno sobrat'sya v kompaktnoe skoplenie, chego yavno ne nablyudaetsya. No predpolozhenie o tom, chto nablyudaemaya statichnaya Vselennaya beskonechna, vyzyvalo strannyi i na pervyi vzglyad prostoi vopros: pochemu noch'yu nebo temnoe?

Vplot' do HH veka na etot, kazalos' by, trivial'nyi vopros ne bylo polucheno udovletvoritel'nogo otveta. Deistvitel'no, predstav'te sebya v lesu, pust' dazhe ne v dremuchem, no v dostatochno bol'shom. Predpolozhim, chto eto berezovyi les iz belyh gladkostvol'nyh derev'ev. Togda v kakom by napravlenii my ni posmotreli, v konce koncov luch zreniya natknetsya na stvol kakogo-nibud' dereva. Kazalos' by, chto les stoit sploshnoi beloi stenoi. A teper' predstavim sebe beskonechnuyu staticheskuyu Vselennuyu, v kotoroi zvezdy i galaktiki nahodyatsya v postoyannom (staticheskom) polozhenii drug k drugu. Luch zreniya zemnogo nablyudatelya v lyubom napravlenii v konce koncov natknetsya na poverhnost' zvezdy, poetomu vsya nebesnaya sfera dolzhna perekryvat'sya zvezdnymi diskami. Na ris. 2 sprava shematichno pokazan uchastok neba, kotoryi videl by nablyudatel'. Krugi raznyh diametrov - diski zvezd. Yarkost' ne zavisit ot rasstoyaniya: ona opredelyaetsya tol'ko svoistvami izluchayushei poverhnosti. Poetomu vo vseh napravleniyah nebo dolzhno byt' takim zhe yarkim, kak kazhdaya zvezda. Poskol'ku Solnce - tipichnaya zvezda, to vse nebo dolzhno byt' noch'yu i dnem takim zhe yarkim, kak Solnce. V etom i sostoit fotometricheskii paradoks Ol'bersa, nazvannyi tak v chest' nemeckogo astronoma XVIII veka Genriha Ol'bersa, kotoryi pervym chetko sformuliroval ego. Nesmotrya na to, chto etot paradoks byl vyveden dlya fonovogo izlucheniya zvezd v vidimom svete, on harakteren i dlya drugih diapazonov dlin voln. Nalichie paradoksa obnaruzhilo nesovershenstvo gipotezy o staticheskoi beskonechnoi Vselennoi.

Iz skazannogo yasno, chto uzhe sravnitel'no prostoi analiz svoistv fonovogo izlucheniya zvezd (prosto iz vidimoi yarkosti nochnogo neba)¹ privodit nas k daleko idushim vyvodam otnositel'no struktury vsei Vselennoi. Nablyudeniya fonovogo izlucheniya podvodyat nas k takim fundamental'nym ponyatiyam, kak konechnost' ili beskonechnost' Vselennoi, ee statichnost' ili nestacionarnost'. Po-vidimomu, spravedlivo i obratnoe: nablyudeniya kakih-libo fundamental'nyh svoistv Vselennoi pozvolyayut delat' suzhdeniya o fonovyh izlucheniyah.

Paradoks Ol'bersa, ili fotometricheskii paradoks, byl razgadan blagodarya otkrytiyu, sdelannomu v 20-h godah nashego stoletiya amerikanskim astronomom E. Habblom, kotoroe privelo k predstavleniyu o tom, chto Vselennaya ne statichna, a odnorodno rasshiryaetsya. Ishodya iz izmerenii rasstoyanii do blizhaishih galaktik, Habbl ustanovil, chto vse galaktiki udalyayutsya ot nas, i skorost' udaleniya V proporcional'na rasstoyaniyu r do galaktiki (V = H₀ r). Etot zakon nazvan zakonom Habbla, gde H₀ - postoyannaya Habbla:

Takim obrazom, predstavlenie o staticheskoi kartine Vselennoi, gde vse ob'ekty kak by zastyli na svoih mestah, smenilo predstavlenie kartiny Vselennoi, ob'ekty kotoroi drug ot druga razbegayutsya, i rasstoyaniya mezhdu nimi nepreryvno uvelichivayutsya.

Skorost' razbeganiya sil'no vliyaet na svet, idushii ot galaktiki k Zemle. Deistvitel'no, kazhdyi posleduyushii foton (kvant sveta), izluchaemyi zvezdoi v galaktike, dolzhen dol'she dvigat'sya k Zemle, chem kvant, ispushennyi v predydushii moment vremeni. Tak chto za odin i tot zhe moment vremeni nablyudatel' na Zemle vosprimet men'shee chislo kvantov, chem v sluchae, esli by galaktika vse vremya nahodilas' na odnom meste (sluchai staticheskoi Vselennoi). Krome effekta umen'sheniya chisla kvantov, prihodyashih na Zemlyu v edinicu vremeni, izluchaemye kvanty umen'shayut svoyu chastotu (uvelichivayut dlinu volny) iz-za effekta Doplera.

Vmeste oba effekta oslablyayut svet zvezd dalekih galaktik. Eto oslablenie stanovitsya osobenno sil'nym, kogda skorost' udaleniya galaktik blizka k skorosti sveta. Togda v predele energiya (chastota) vosprinimaemyh na Zemle kvantov stremitsya k nulyu, a vremya ih pribytiya - k beskonechnosti.

Soglasno zakonu Habbla, galaktiki, nahodyashiesya na rasstoyanii

²

udalyayutsya ot nas so skorost'yu, ravnoi skorosti sveta, poetomu ih izluchenie oslableno do nulya, a izluchenie bolee dalekih galaktik do nas ne dohodit voobshe. T.e. dlya nas Vselennaya - konechna, ona ogranichena radiusom v 20 mlrd. svetovyh let. Poetomu nebo ne stol' yarkoe, kak Solnce. Velichinu R inogda nazyvayut radiusom vidimoi chasti Vselennoi, ili radiusom Metagalaktiki.

Ko vremeni otkrytiya Habblom razbeganiya galaktik A. Einshtein razrabotal relyativistskuyu teoriyu tyagoteniya - obshuyu teoriyu otnositel'nosti. Osnovyvayas' na etoi teorii, sovetskii uchenyi A. Fridman postroil model' odnorodnoi i izotropnoi Vselennoi, v ramkah kotoroi razbeganie galaktik ob'yasnyaetsya rasshireniem (nestacionarnost'yu) Vselennoi kak celoi, gde geometricheskie svoistva prostranstva i vremeni opredelyayutsya raspredeleniem i dvizheniem veshestva.

Fonovoe izluchenie v radio-, rentgenovskom i gamma-diapazonah

Yarkost' neba ili fonovoe izluchenie v rassmatrivaemyh diapazonah dlin voln opredelyaetsya summarnym izlucheniem vseh nebesnyh tel, zapolnyayushih prostranstvo s radiusom, ravnym radiusu vidimoi Vselennoi. V kazhdom iz etih diapazonov fonovoe izluchenie daet raznuyu informaciyu o Vselennoi i ee istorii.

Kosmicheskoe fonovoe radioizluchenie nablyudaetsya na chastotah ot 1 do 500 MGc, chto sootvetstvuet dlinam voln ot 300 m do 60 sm (sm. ris. 1). Nebo v etom diapazone, osobenno na metrovyh volnah, ochen' yarkoe, no raspredelenie radioyarkosti po nebu kraine anizotropno i koncentriruetsya k galakticheskoi ploskosti (ploskosti Mlechnogo Puti). Tak kak vnegalakticheskoe fonovoe radioizluchenie dolzhno obladat' izotropnymi svoistvami, to poiski i obnaruzhenie fonovogo izlucheniya svyazany s vydeleniem izotropnoi komponenty iz obshego anizotropnogo fonovogo izlucheniya.

V obshem fonovom izluchenii nablyudaetsya yavnaya koncentraciya radioizlucheniya k ploskosti Galaktiki, chto ukazyvaet na svyaz' anizotropnogo komponenta s izlucheniem Galaktiki. Radioizluchenie Galaktiki dostatochno horosho izucheno, i ego priroda nashla svoe teoreticheskoe ob'yasnenie. Okazyvaetsya, za radioizluchenie nashei Galaktiki v osnovnom otvetstvenny relyativistskie elektrony, vhodyashie v sostav galakticheskih kosmicheskih luchei. Dvigayas' v magnitnom pole Galaktiki, eti elektrony izluchayut sinhrotronnoe radioizluchenie. Analiz energeticheskogo spektra relyativistskih elektronov pozvolyaet teoreticheski rasschitat' spektr sinhrotronnogo radioizlucheniya Galaktiki, sravnit' ego s nablyudaemym i tem samym vydelit' fonovuyu vnegalakticheskuyu komponentu radioizlucheniya. Nesmotrya na eto eksperimental'noe vydelenie radiofona svyazano s bol'shimi trudnostyami.

Na sushestvovanie v etom diapazone vnegalakticheskoi komponenty radioizlucheniya ukazyvayut i pryamye nablyudeniya, kotorye pozvolyayut nezavisimo ot teoreticheskih predpolozhenii ocenit' fon. Primerom mogut sluzhit' izmereniya radioyarkosti neba na chastote 20 MGc v napravlenii na tumannost' Bol'shoe Magellanovo Oblako - odnu iz dvuh karlikovyh galaktik, yavlyayushihsya sputnikami nashei Galaktiki. Vnutri nee nahoditsya oblako ionizovannogo gaza, kotoroe effektivno pogloshaet radioizluchenie na chastote 20 MGc. Oblako zaneseno v katalog pod nazvaniem tumannost' 30 Zolotoi Rybki (po nazvaniyu sozvezdiya, gde ono nahoditsya). Sravnenie yarkosti neba v tumannosti i ee okrestnostyah pokazalo, chto velichina yarkosti umen'shaetsya v napravlenii oblaka, t.e. vne ego dolzhno sushestvovat' izluchenie, kotoroe imeet vnegalakticheskuyu prirodu. Prohodya cherez oblako, izluchenie pogloshaetsya im, i yarkost' neba v napravlenii oblaka stanovitsya men'she po sravneniyu s sosednimi uchastkami. Prakticheski v oblake pogloshaetsya vse vnegalakticheskoe radioizluchenie. Tak kak galakticheskoe radioizluchenie ne prohodit cherez oblako, to nablyudaemaya yarkost' radioneba v napravlenii oblaka daet znachenie intensivnosti galakticheskogo radioizlucheniya. Takoi metod pozvolyaet ocenit' srazu i fonovoe radioizluchenie, i radioizluchenie nashei Galaktiki.

Sushestvuyut i drugie metody izmerenii fonovogo radioizlucheniya, v rezul'tate kotoryh pokazano, chto yarkost' fonovogo radioizlucheniya padaet s rostom chastoty, t. e. kolichestvo energii, zaklyuchennoi v fonovom radioizluchenii, na korotkih dlinah voln men'she, chem na dlinnyh (sm. ris. 1).

Priroda radiofona v nastoyashee vremya ponyata dostatochno horosho. Radiofon ob'yasnyaetsya izlucheniem vseh radioistochnikov vo Vselennoi, i poetomu zdes' imeet mesto takaya zhe situaciya, kak i pri analize paradoksa Ol'bersa.

Istochnikami, obuslavlivayushimi fonovoe izluchenie, v pervuyu ochered' yavlyayutsya radiogalaktiki i kvazary. Obychnye galaktiki vrode nashego Mlechnogo Puti, hotya i yavlyayutsya naibolee mnogochislennymi ob'ektami vo Vselennoi, nastol'ko nichtozhno izluchayut v radiodiapazone, chto dayut malyi vklad v fonovoe radioizluchenie. Radiogalaktiki i kvazary - samye moshnye i aktivnye iz vseh istochnikov - imeyut neteplovoi spektr takogo zhe tipa, kak i u radiofona. Ispol'zuya radiokarty neba, poluchennye s pomosh'yu samyh krupnyh radioteleskopov, mozhno podschitat' chislo takih radioistochnikov, a takzhe ocenit' chislo slabyh istochnikov, kotorye ne sposoben razreshit' radioteleskop i kotorye vidny v vide flyuktuacii radioyarkosti v malyh uglovyh masshtabah. Summirovanie radioizlucheniya vseh etih istochnikov okazyvaetsya dostatochnym, chtoby ob'yasnit' radiofon.

Analiz svoistv fonovogo radioizlucheniya pozvolyaet srazu izuchit' namnogo bol'she istochnikov, chem eto mozhno bylo by sdelat', issleduya otdel'nye ob'ekty. Rezul'taty pryamyh podschetov diskretnyh radioistochnikov podtverzhdayut, chto v nedavnem proshlom vo Vselennoi bylo v sotni raz bol'she sil'nyh radioistochnikov, takih kak kvazary i radiogalaktiki, chem ih nablyudaetsya seichas.

Etot vyvod ukazyvaet na nesostoyatel'nost' ne tol'ko modeli staticheskoi Vselennoi (my govorili o nei v nachale v svyazi s fotometricheskim paradoksom), no i tak nazyvaemoi stacionarnoi modeli Vselennoi, soglasno kotoroi sushestvuet nepreryvnoe "tvorenie" veshestva bez izmeneniya osnovnyh harakteristik Vselennoi. Takim obrazom, iz analiza radiofona sleduet, chto v proshlom bylo bol'she radioistochnikov, chem seichas, i Vselennaya na sovremennuyu ne byla pohozha.

V gamma- i rentgenovskom diapazonah fonovoe izluchenie izmereno na chastotah svyshe (na dlinah voln koroche 13A). Izmereniya v etih diapazonah stali vozmozhny blagodarya ispol'zovaniyu raketno-kosmicheskoi tehniki, kotoraya pozvolyaet vynesti priemniki gamma- i rentgenovskogo izlucheniya za predely zemnoi atmosfery. Zemnaya atmosfera pogloshaet vse rentgenovskoe i gamma-izluchenie, idushee iz kosmosa.

Vpervye diffuznyi rentgenovskii fon byl zaregistrirovan v 1962 godu odnovremenno s obnaruzheniem pervogo iz diskretnyh istochnikov kosmicheskogo rentgenovskogo izlucheniya - Skorpion H-1. Dal'neishie nablyudeniya podtverdili vysokuyu stepen' izotropii rentgenovskogo fonovogo izlucheniya, chto podtverzhdaet ego vnegalakticheskuyu prirodu. Detal'nyi analiz nablyudenii s vysokoi chuvstvitel'nost'yu i uglovym razresheniem pokazal, chto chislo istochnikov uvelichivaetsya s umen'sheniem velichiny potoka ih rentgenovskogo izlucheniya. Eto obstoyatel'stvo pozvolyaet sdelat' predpolozhenie o tom, chto s umen'sheniem potoka chislo istochnikov sil'no vozrastaet, i v konce koncov oni vse sol'yutsya v sploshnoi rentgenovskii fon. Takim obrazom, stanovitsya ochevidnoi interpretaciya diffuznogo rentgenovskogo fona Vselennoi kak summarnogo izlucheniya udalennyh diskretnyh istochnikov.

Znaya ob'em vidimoi Vselennoi i plotnost' razlichnyh diskretnyh istochnikov rentgenovskogo izlucheniya, mozhno teoreticheski ocenit' intensivnost' fonovogo rentgenovskogo izlucheniya.

Izvestnye rentgenovskie istochniki, kotorye otozhdestvleny s opticheskimi i radio-ob'ektami - kvazarami, aktivnymi galaktikami i obychnymi galaktikami - ob'yasnyayut okolo 25% nablyudaemogo rentgenovskogo fona. Naryadu s izvestnymi istochnikami nablyudayutsya vnegalakticheskie ob'ekty, kotorye ne udalos' otozhdestvit' s izvestnymi radio- i opticheskimi ob'ektami. Vozmozhno, oni predstavlyayut novyi klass vnegalakticheskih rentgenovskih istochnikov. Etimi istochnikami udalos' ob'yasnit' eshe 25% yarkosti fona.

Takim obrazom, otozhdestvlennymi ob'ektami i vozmozhnym novym klassom vnegalakticheskih rentgenovskih istochnikov v sovokupnosti ob'yasnyaetsya okolo 50% yarkosti rentgenovskogo fonovogo izlucheniya. A kak byt' s ostavshimisya 50%?

Zdes' dopolnitel'nuyu informaciyu daet issledovanie melkomasshtabnyh fluktuacii yarkosti rentgenovskogo fonovogo izlucheniya. Chtoby soglasovat' nablyudaemuyu yarkost' i fluktuacii rentgenovskogo fona Vselennoi, neobhodimo predpolozhit' sushestvovanie novogo, poka eshe ne izvestnogo klassa vnegalakticheskih istochnikov, udalennyh ot nas na ochen' bol'shie rasstoyaniya. V etom sluchae chislo takih istochnikov v nablyudaemoi Vselennoi dolzhno byt' okolo 3 millionov, a moshnost' ih rentgenovskogo izlucheniya sravnimoi s moshnost'yu rentgenovskogo izlucheniya radio- i seifertovskih galaktik. Napomnim, chto obychnyh galaktik v nablyudaemoi Vselennoi okolo 30 milliardov, radiogalaktik - 30 millionov, seifertovskih galaktik - okolo 300 millionov.

Analiz vklada izvestnyh istochnikov rentgenovskogo izlucheniya v fonovoe izluchenie ne uchityval ih evolyucii v proshlom. My uzhe videli, chto evolyuciei istochnikov ob'yasnyaetsya ryad svoistv fonovogo radioizlucheniya. Okazyvaetsya, chtoby polnost'yu ob'yasnit' diffuznyi rentgenovskii fon summarnym izlucheniem otdel'nyh istochnikov, dostatochno uvelichit' v proshlom srednie moshnosti rentgenovskogo izlucheniya radiogalaktik, kvazarov i seifertovskih galaktik i skoplenii galaktik (primerno v 10-100 raz) i neznachitel'no uvelichit' v proshlom ih kolichestvo. V etom smysle gipoteticheskimi istochnikami, kotorye ob'yasnyayut ostavshiesya neob'yasnennymi 50% yarkosti rentgenovskogo fona, yavlyayutsya, vidimo, libo kompaktnye skopleniya galaktik, soderzhashie vsego okolo desyatka galaktik i imevshie v proshlom bol'shie rentgenovskie svetimosti, libo osobyi klass sushestvovavshih togda aktivnyh galaktik.

Intensivnost' fonovogo potoka gamma-luchei (chastoty svyshe Gc ili energii kvantov svyshe 0.5 Mev) mozhno predstavit' kak summu stepennogo spektra, yavlyayushegosya prodolzheniem spektra rentgenovskogo diapazona i nepreryvnogo izlucheniya s maksimumom v oblasti kvantov s energiei 1-10 Mev, chto ukazyvaet na nalichie dopolnitel'nyh gamma-kvantov. V principe, interpretaciya fonovogo gamma-fona ta zhe, chto i rentgenovskogo.

Interesno otmetit', chto v svoe vremya obsuzhdalas' ideya o tom, chto gamma-fon voznikaet pri annigilyacii veshestva i antiveshestva vo Vselennoi. Avtory etoi gipotezy ishodili iz togo, chto kolichestvo veshestva i antiveshestva vo Vselennoi v srednem dolzhno byt' odinakovym, oblasti s veshestvom dolzhny byt' peremeshany s oblastyami iz antiveshestva. Na granicah etih oblastei i proishodit annigilyaciya, kotoraya porozhdaet moshnyi potok gamma-kvantov. Bolee togo, v proshlom, kogda plotnost' vo Vselennoi byla vyshe, process annigilyacii byl bolee vysokim i maksimum annigilyacionnogo gamma-izlucheniya kak raz dolzhen prihodit'sya na diapazon energii gamma-kvantov 1-100 Mev, chto, kak vidim, i nablyudaetsya. Raschety pozvolyayut ocenit' koncentraciyu veshestva i antiveshestva, kotoraya sposobna ob'yasnit' nablyudaemuyu yarkost' gamma- fona. Dlya etogo neobhodima koncentraciya veshestva i antiveshestva okolo atomov v sm³, chto primerno v 10 mln. raz men'she nablyudaemoi.

Eshe odin interesnyi vyvod poluchaetsya iz analiza rentgenovskogo i gamma fona. Eto ogranichenie na kolichestvo reliktovyh chernyh dyr s massami v neskol'ko milliardov tonn i razmerami s elektron. Sushestvovanie takih mini chernyh dyr na rannih etapah rasshireniya Vselennoi predskazyvaetsya sovremennoi kosmologiei. Raschety pokazyvayut, chto blagodarya kvantovym effektam takie chernye dyry dolzhny effektivno isparyat'sya v nastoyashee vremya, ispuskaya gamma-kvanty. Chtoby gamma-izluchenie ot nih ne prevyshalo nablyudaemogo fonovogo gamma-izlucheniya neobhodimo, chtoby ih koncentraciya byla ne slishkom bol'shoi, sootvetstvuyushei neskol'kim takim chernym dyram v Solnechnoi sisteme. Na osnove etogo vyvoda predlagayutsya eksperimenty po ih obnaruzheniyu i dostavke v okrestnosti Zemli.

Reliktovoe izluchenie

Sushestvovanie reliktovogo izlucheniya teoreticheski bylo predskazano nashim sootechestvennikom izvestnym astrofizikom Georgiem Gamovym. On eto sdelal v konce 40-h godov na osnovanii analiza nablyudaemogo soderzhaniya geliya vo Vselennoi, ispol'zuya fridmanovskuyu model' rasshiryayusheisya Vselennoi.³

G. A.Gamov pokazal, chto yadernye reakcii v zvezdah mogut ob'yasnit' nebol'shuyu chast' nablyudaemogo geliya. Poetomu osnovnaya ego massa dolzhna byla obrazovat'sya na samyh rannih etapah rasshireniya plotnoi i goryachei Vselennoi. Vysokaya temperatura neobhodima dlya protekaniya yadernyh reakcii sinteza geliya iz vodoroda. Sledstviem etoi "goryachei" modeli Vselennoi i bylo predskazanie izlucheniya so specificheskim ravnovesnym plankovskim raspredeleniem po chastotam, kotoroe k nastoyashemu vremeni ostylo do temperatury okolo 5 K.

Samo reliktovoe izluchenie s temperaturoi 2.7 K bylo obnaruzheno sluchaino v 1964 godu v santimetrovom diapazone dlin voln amerikanskimi uchenymi A. Penziasom i R. Vil'sonom.

Obnaruzhenie reliktovogo izlucheniya yavilos' zamechatel'nym podtverzhdeniem modeli goryachei Vselennoi.

V ramkah idealizirovannoi kartiny izotropno (t. e. odinakovo po vsem napravleniyam) rasshiryayusheisya Vselennoi raspredelenie reliktovogo izlucheniya po nebu dolzhno byt' ves'ma odnorodnym. Pravda, ne isklyucheno, chto v nekotoryh napravleniyah Vselennaya rasshiryaetsya bystree, v drugih - medlennee. Izmerenie postoyannoi Habbla v razlichnyh napravleniyah pozvolilo podtverdit' izotropiyu rasshireniya s tochnost'yu 20%. Hotya i s plohoi tochnost'yu, no poluchennyi rezul'tat harakterizuet izotropiyu rasshireniya Vselennoi, nachinaya s momenta let, kogda vo Vselennoi poyavilis' galaktiki, i do nashih dnei.

Naibolee tochnymi i informativnymi okazalis' izmereniya raspredeleniya temperatury reliktovogo izlucheniya po nebu. V napravlenii bystrogo rasshireniya Vselennoi temperatura reliktovogo izlucheniya dolzhna byt' nizhe, chem v napravlenii medlennogo rasshireniya. Informaciya, zaklyuchennaya v anizotropii, pozvolyaet sudit' ob anizotropii rasshireniya Vselennoi s momenta okolo let ot nachala rasshireniya. Naibolee tochnye izmereniya anizotropii reliktovogo izlucheniya byli provedeny v nashei strane s borta iskusstvennogo sputnika Zemli "Prognoz-9" v eksperimente "Relikt" i na amerikanskom ISZ "SOVE" (Cosmic Background Explorer), kogda issledovalis' otkloneniya temperatury reliktovogo izlucheniya v razlichnyh napravleniyah ot srednego znacheniya 2.7K. Po dannym ISZ "SOVE" takie otkloneniya nablyudayutsya, no v uglovyh masshtabah v desyatki gradusov oni sostavlyayut vsego okolo K. Takim obrazom, s tochnost'yu okolo 0.0007% Vselennaya rasshiryaetsya izotropno.

Vysokaya stepen' izotropii rasshireniya Vselennoi, poluchennaya iz etih nablyudenii, trebuet svoego ob'yasneniya. Estestvenno, voznikaet vopros, kakim obrazom dve nablyudaemye v protivopolozhnyh napravleniyah oblasti Vselennoi pokazyvayut stol' samosoglasovannoe (i poetomu prichinno svyazannoe) rasshirenie? O tom, chto oblasti nikak ne svyazany, govorit tot fakt, chto esli kazhdaya iz nih udalena ot nas primerno na 15 mlrd. svetovyh let, to rasstoyanie mezhdu nimi sostavlyaet 30 mlrd. svetovyh let, i za vremya zhizni Vselennoi (okolo 20 mlrd. let) oni nikak ne mogli uspet' provzaimodeistvovat' mezhdu soboi i "soglasovat'" svoi svoistva. Etot fakt zastavlyaet astronomov uluchshat' model' goryachei Vselennoi, razrabatyvaya model' tak nazyvaemoi inflyacionnoi na rannih stadiyah rasshiryayusheisya Vselennoi.

Po sovremennym predstavleniyam Vselennaya nikogda ne byla polnost'yu odnorodnoi. Dazhe na samyh rannih stadiyah dolzhny byli sushestvovat' nebol'shie neodnorodnosti (fluktuacii) plotnosti, izlucheniya i skorostei dvizheniya veshestva. Nalichie takih fluktuacii moglo by ob'yasnit' formirovanie galaktik i ih skoplenii v proshlom i proyavlyat'sya v iskazheniyah reliktovogo izlucheniya - otkloneniyah ot izotropii raspredeleniya temperatury reliktovogo izlucheniya v razlichnyh uglovyh masshtabah i otkloneniyah ot plankovskogo haraktera spektral'nogo raspredeleniya izlucheniya.

Sovremennye teorii obrazovaniya galaktik ukazyvayut na to, chto nachinaya s let ot momenta nachala rasshireniya Vselennoi, iskazheniya, vnosimye neodnorodnostyami, iz kotoryh v dal'neishem mogut vozniknut' galaktiki, "zapominayutsya" i dolzhny proyavit'sya v vide zametnyh fluktuacii yarkosti reliktovogo izlucheniya v masshtabah . Nablyudeniya pokazali, chto v masshtabah ot uglovyh minut do neskol'kih gradusov takie fluktuacii reliktovogo izlucheniya otsutstvuyut s tochnost'yu, prevyshayushei 0.01%. V sovremennyh teoriyah obrazovaniya galaktik etot fakt vyzyvaet naibol'shie trudnosti.

Odna iz vozmozhnostei izbezhat' trudnosti - razvitie teorii, soglasno kotoroi vnachale iz melkomasshtabnyh neodnorodnostei voznikali sharovye skopleniya zvezd i karlikovye galaktiki, zatem oni ob'edinyalis', obrazuya gigantskie galaktiki. V takoi sheme otpadaet neobhodimost' sushestvovaniya krupnomasshtabnyh fluktuacii - ih libo ne bylo, libo oni byli nastol'ko maly, chto ne otrazilis' na reliktovom izluchenii. Dannaya teoriya ne isklyuchaet, odnako, nalichiya melkomasshtabnyh fluktuacii yarkosti reliktovogo izlucheniya, naprimer, v uglovyh masshtabah men'she minuty dugi. No obnaruzhenie takih melkomasshtabnyh fluktuacii reliktovogo izlucheniya na fone izlucheniya bol'shogo chisla diskretnyh istochnikov, takih kak kvazary i dalekie galaktiki, predstavlyaetsya poka trudnoi zadachei.

V zaklyuchenie hotelos' by otmetit', chto tochnost' sovremennyh izmerenii pozvolyaet opredelit' dazhe skorost' dvizheniya Zemli vokrug Solnca po otnosheniyu k reliktovomu izlucheniyu.

Soglasno modeli goryachei Vselennoi, reliktovoe izluchenie izotropno v soputstvuyushei sisteme otscheta, svyazannoi so srednimi harakteristikami dvizheniya i raspredeleniya vsei materii vo Vselennoi. Vsledstvie effekta Doplera dvizhenie Zemli po otnosheniyu k etoi sisteme dolzhno privodit' k anizotropii raspredeleniya reliktovogo izlucheniya. V napravlenii dvizheniya fotony reliktovogo izlucheniya dolzhny imet' men'shuyu dlinu volny, v protivopolozhnom - bol'shuyu. Temperatura reliktovogo izlucheniya v napravlenii dvizheniya vyshe, chem v protivopolozhnom. Tak, nablyudeniya pokazali, chto v napravlenii sozvezdiya L'va v tochke s pryamym voshozhdeniem i skloneniem temperatura reliktovogo izlucheniya okazalas' na K vyshe, chem v protivopolozhnom (v sozvezdii Vodoleya). Sledovatel'no, Solnce vmeste s Zemlei dvizhetsya otnositel'no reliktovogo izlucheniya so skorost'yu okolo 400 km/s v napravlenii sozvezdiya L'va. Uchityvaya skorost' dvizheniya Solnca vokrug centra Galaktiki, legko naiti skorost' dvizheniya Galaktiki po otnosheniyu k reliktovomu izlucheniyu, kotoraya okazalas' okolo 600 km/s. Tochnost' etih izmerenii takova, chto zametna dazhe sutochnaya variaciya raspredeleniya reliktovogo izlucheniya, obuslovlennaya dvizheniem Zemli vokrug Solnca, proishodyashim so skorost'yu 30 km/s.

1 - Osnovnaya dolya (primerno 70%) yarkosti nochnogo neba obuslovlivaetsya izlucheniem verhnei atmosfery Zemli (prim. red)
2 - Edinicy izmereniya v astronomii: 1 parsek (pk) = 3 10¹³ km; 1 megaparsek (mpk) = 10⁶ pk; 1 svetovoi god - put', prohodimyi svetom za 1 god; 1 sv. god = 9 10¹² km. Radius vidimoi chasti Vselennoi R=1,8 10²⁴ km
3 - Podrobnee ob etom sm. Vselennaya i my; 2, str. 50-51