СВЕЧЕНИЕ
РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Bell Labs работали с 20-футовой рупорно-параболической антенной в Кроуфорд-Хилле (Нью-Джерси). На частоте 4080 МГц (длина волны 7,35 см) её шум оказался примерно на 3,5 К выше всего, что они могли объяснить, — и этот избыток, по их словам, был «изотропным, неполяризованным и свободным от сезонных колебаний» с июля 1964 по апрель 1965 года [1].

Неподалёку, в Принстонском университете, Роберт Дикке, Джим Пиблс, Питер Ролл и Дэвид Уилкинсон как раз строили приёмник, чтобы найти именно это — остывший свет горячей и плотной ранней Вселенной. Их письмо с объяснением сигнала вышло в том же номере Astrophysical Journal, что и измерение [2]. Сама идея была старше. В конце 1940-х годов Ральф Алфер и Роберт Херман, развивая работы Георгия Гамова, оценили, что остаточное излучение Большого взрыва сегодня должно иметь температуру в несколько кельвинов, а в 1964 году советские космологи Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков указали, что его можно обнаружить в микроволновом диапазоне, — и назвали лучшим инструментом для этого рупорную антенну Bell Labs в Кроуфорд-Хилле [19]. Пензиас и Вильсон разделили половину Нобелевской премии по физике 1978 года «за открытие реликтового микроволнового излучения» (другая половина — Петру Капице) [3].

Космический аппарат NASA COBE (Cosmic Background Explorer) был запущен 18 ноября 1989 года [18]. Его прибор FIRAS сравнивал небо, частота за частотой, с бортовым эталонным абсолютно чёрным телом — идеальным поглотителем известной температуры. На 43 частотах от 68 до 640 ГГц небо совпало с одним-единственным абсолютно чёрным телом: отклонения меньше 50 миллионных долей от яркости в максимуме [5][6].

Спектр абсолютно чёрного тела — это то, как выглядит свет, многократно поглощённый и испущенный заново, пока он не пришёл в равновесие с веществом. Такой идеальный и одинаковый во всех направлениях спектр даёт только Вселенная, которая когда-то вся была горячей, плотной и непрозрачной, — поэтому эта кривая и решила спор в пользу Большого взрыва. Лучшая сводная оценка сегодняшней температуры — 2,72548 ± 0,00057 К [7]; Джон Мазер и Джордж Смут из команды COBE разделили Нобелевскую премию 2006 года «за открытие формы спектра абсолютно чёрного тела и анизотропии» реликтового микроволнового излучения [8].

По мере расширения пространства каждая длина волны в этом свечении растягивается в одно и то же число раз, 1 + z, а растянутое излучение абсолютно чёрного тела остаётся таким же — только холоднее во столько же раз. Поэтому температура в любой более ранний момент равна просто T₀ (1 + z). Анализ «Планка» 2018 года относит момент последнего рассеяния света к z = 1089,92 ± 0,25 [11]: Вселенная тогда имела температуру около 2970 К и была примерно в 1090 раз меньше.

Пока Вселенная была горячее примерно 3000 К, водород оставался ионизованным, и свободные электроны рассеивали свет так часто, что Вселенная была непрозрачной, как внутренность облака. Когда электроны и протоны объединились в атомы, свет полетел свободно — именно эту поверхность последнего рассеяния и сфотографировали все три аппарата. Через сколько после Большого взрыва? Если прокрутить расширение назад с измеренными «Планком» плотностями, получится около 370 000 лет (часто округляют до 380 000 — точная цифра зависит от модели и от того, что считать моментом последнего рассеяния) при нынешнем возрасте 13,797 ± 0,023 млрд лет [11].

Свечение не вполне одинаково во всех направлениях. Самое большое различие вызвано нашим собственным движением: Солнце движется относительно фона со скоростью 369,82 ± 0,11 км/с, поэтому небо впереди кажется теплее, а позади — холоднее; это диполь в 3,362 мK, примерно одна восьмисотая [10]. Дифференциальные микроволновые радиометры COBE (DMR), сравнивавшие пары направлений в 60° друг от друга лучами шириной 7° на частотах 31,5, 53 и 90 ГГц [4], измерили его точно. Ещё до COBE советский эксперимент «Реликт-1» на спутнике «Прогноз-9» (запущен 1 июля 1983 года) картографировал небо на 37 ГГц и измерил диполь; анализ его данных 1992 года сообщил о крупномасштабной анизотропии 17–95 мкК при доверительной вероятности 90 % [20].

Если убрать диполь и свечение нашей Галактики, остаются зародыши всей крупномасштабной структуры: пятна теплее и холоднее примерно на 30 мкК на масштабах 10°, около одной стотысячной; команда COBE объявила о них в 1992 году [9]. Следующие 13,8 млрд лет гравитация стягивала вещество в чуть более плотные области. Неровность в одну стотысячную трудно представить — примерьте её на что-нибудь знакомое второй группой кнопок.

Лучи COBE шириной 7° показали, что рябь существует, но размывали всё мельче примерно 13 видимых диаметров Луны. Аппарат NASA WMAP, запущенный 30 июня 2001 года в точку L2 системы Солнце–Земля, картографировал всё небо лучами шириной около 0,2° — 13 угловых минут в лучшем канале — и передавал научные данные до 19 августа 2010 года [12][13]. Он обнаружил, что сильнее всего рябь на масштабе около градуса: это первый акустический пик на мультиполе ℓ = 220,1 ± 0,8 — мультиполь ℓ соответствует деталям размером примерно 180°/ℓ, то есть около 0,8° [14]. Миссия названа в честь Дэвида Уилкинсона из принстонской группы 1965 года [12].

Аппарат ЕКА «Планк» [17], запущенный 14 мая 2009 года, сканировал небо с 12 августа 2009 года — во всех девяти диапазонах от 30 до 857 ГГц до января 2012 года, а в трёх нижних — до 23 октября 2013 года, — с лучами около 5 угловых минут в основных каналах для реликтового излучения (4,90′ на 217 ГГц; до 4,2′ в канале пыли 857 ГГц) [10]. Пятна первого пика размером около 0,8° — это примерно полтора видимых диаметра Луны. Выберите миссию ниже, чтобы увидеть один и тот же участок смоделированного неба через её луч.

Пики — это звуковые волны. До последнего рассеяния свет и заряженное вещество двигались вместе как горячая жидкость, и в ней распространялись волны давления; самая большая волна, успевшая один раз сжаться, задаёт размер первого пика. «Планк» измерил этот угол, θ* ≈ 0,5965°, с точностью 0,03 % (сам первый пик виден под чуть большим углом — ℓ ≈ 220, около 0,8°, — потому что волны «застали» в середине колебания), а итоговая статья миссии насчитывает 18 пиков в спектрах температуры и поляризации [10][11]. Поскольку физический размер этой волны известен из физики, её видимый размер говорит о геометрии пространства: вместе с обзорами галактик кривизна составляет ΩK = 0,001 ± 0,002 — в пределах погрешностей пространство плоское [11].

Модель с шестью параметрами описывает всё это — «более миллиарда пикселей карты» [10]: плотность барионов Ωb h² = 0,0224, тёмной материи Ωc h² = 0,120 и — в рамках этой модели — постоянная Хаббла 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк, доля вещества 31,5 % и возраст 13,8 млрд лет [11]. В собственном резюме «Планка» указан главный открытый вопрос: его значение постоянной Хаббла расходится с локальными измерениями расширения, «которые предпочитают более высокое значение» [11]. Одни данные «Планка» не позволяют сказать, какая из сторон ошибается; вопрос остаётся открытым.