Рис. 30. Зависимость температуры реликтового излучения от красного смещения (Джетсер и др. 2010). Данные для z < 1 получены по эффекту Сюняева-Зельдовича, для z > 1 использованы наблюдения абсорбционных спектров квазаров. Штриховой прямой показана зависимость (z) = 2.725 x (1 + z), предсказываемая моделью Большого взрыва.

Открытие реликтового излучения сразу же поставило перед учеными важную задачу. Фоновое излучение, как это следовало из теории и наблюдений, удивительно изотропно — его температура практически не зависит от направления на небе. Однако отклонения от изотропии должны наблюдаться. Ведь, с одной стороны, Земля обращается вокруг Солнца, Солнце движется относительно центра Галактики, сама наша Галактика летит в пространстве относительно ближайших звездных систем — в итоге реликтовое излучение должно быть чуть горячее по направлению результирующего вектора движения Земли и чуть холоднее в противоположном направлении. С другой стороны, в современную эпоху нас окружает большое разнообразие структур — звезды, галактики, группы галактик, скопления и сверхскопления, — которые должны были возникнуть за счет гравитационной неустойчивости из первичных возмущений плотности. В эпоху рекомбинации эти возмущения плотности вещества и, соответственно, температуры излучения уже должны были существовать. Возникает вопрос, каковы амплитуда и размер этих флуктуации? Ответ на него зависит от состава и крупномасштабных свойств нашей Вселенной и поэтому поиск и исследование флуктуации реликта — важнейший космологический тест.

Крупномасштабная анизотропия, вызванная движением Земли относительно реликтового фона, была обнаружена в 1977 году группой ученых из Калифорнийского университета с помощью наблюдений на высотном самолете-разведчике U-2 [21] .

Оказалось, что Солнечная система движется относительно реликта в направлении созвездий Льва и Чаши со скоростью примерно 370 км/с. В этом направлении температура реликтового излучения оказалась примерно на 0.003 К выше, а в противоположном (в направлении созвездия Водолей) — на столько же ниже, чем среднее значение. Следовательно, амплитуда дипольной составляющей фонового излучения Т/Т ~ 0.003/2.7 ~10– 3.

Мелкомасштабные вариации температуры реликтового излучения были открыты с помощью внеатмосферных наблюдений, причем важнейшую роль в этом сыграла космическая обсерватория СОВЕ (COsmic Background Explorer). В 1992 году было обнаружено, что на масштабах ~10° амплитуда флуктуации реликтового фона составляет Т/Т ~ 10– 5. Последующие наблюдения из космоса, с поверхности Земли и с аэростатов подтвердили эти результаты и распространили их на еще меньшие угловые масштабы.

Результатом многолетней работы астрономов явилась детальная карта распределения температуры реликтового излучения по небесной сфере. На рис. 31 показана репродукция такой карты в галактических координатах (плоскость Млечного Пути вытянута вдоль большой оси рисунка). На этой карте удалены многочисленные мешающие эффекты (дипольная составляющая из-за движения Земли в пространстве, излучение Млечного Пути, внегалактические источники радиоизлучения) и оставлены, как предполагается, только реальные, космологические флуктуации. На карте на разных масштабах видны многочисленные «холодные» и «горячие» пятна. К сожалению, есть подозрения, что часть особенностей этой карты все-таки связана с не совсем точным учетом влияния излучения нашей Галактики и, возможно, даже Солнечной системы.

Рис. 31. Распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере (темные области — пониженная температура, светлые — повышенная) по результатам 7-летней работы спутника WMAP.

Какую информацию можно извлечь из анализа флуктуации фонового излучения? Огромную. По сути, такой анализ дает основную информацию о Вселенной в целом. Ранняя Вселенная с точки зрения физики была очень простой и многие шедшие в ней процессы оставили отпечаток в свойствах реликтового излучения. Например, реликтовое излучение дает возможность оценить геометрию пространства — времени. На стадии формирования фотонов реликтового излучения — в эпоху рекомбинации — Вселенная была примерно в 1000 раз меньше (z ~1000) и ее возраст составлял ~400 000 лет. Следовательно, характерный размер наибольшего возмущения не мог превышать 400 000 световых лет. При более точном подходе получается, что на момент рекомбинации длина волны наибольшего колебания была несколько меньше и составляла ~220 000 св. лет — это так называемый звуковой горизонт. Из наблюдений анизотропии реликтового излучения мы можем найти угловой размер, соответствующий самым большим неоднородностям, (~1°) и, зная соответствующий линейный размер (220 000 св. лет) и красное смещение формирования, легко определить кривизну пространства. Оказалось, что с очень большой точностью наше пространство является плоским, евклидовым. Детальный анализ зависимости амплитуды флуктуации реликтового излучения от углового масштаба дает возможность оценить множество других характеристик Вселенной — ее полную плотность, плотность обычного (барионного) вещества и темной энергии (см. параграф 2.7), возраст Вселенной, значение постоянной Хаббла, а также многие другие. Как сказал Джордж Смут, получивший в 2006 году Нобелевскую премию по физике за свой основополагающий вклад в открытие флуктуации фонового излучения, «открытие анизотропии температуры космического реликтового излучения произвело переворот в наших представлениях о Вселенной, и его современные исследования продолжают революцию в космологии».

Скрытая масса или, как ее часто называют, темная материя (в дальнейшем я буду использовать эти термины как синонимы, хотя это и не вполне правильно) — это почти святой Грааль современной астрономии. На протяжении нескольких столетий каждый уважающий себя рыцарь считал своим долгом отправиться на поиски чудодейственной чаши. Так и со скрытой массой — уже несколько десятилетий ее активно ищут, но до сих пор, несмотря на огромное количество косвенных свидетельств ее существования, она однозначно не идентифицирована.

Слово «темная» не означает, что эта материя и в самом деле темная, оно просто означает, что материя очень слабо излучает в оптическом диапазоне и ее до сих пор не удалось увидеть. Темное вещество пока что «скрыто» от современных методов наблюдений, и мы знаем о его существовании в основном по гравитационному влиянию этой материи на доступные наблюдениям объекты.

Формально говоря, история скрытой массы насчитывает уже не одно столетие. Например, в первой половине XIX века было обнаружено, что планета Уран двигается по своей орбите чуть-чуть неправильно, в ее движении присутствуют так называемые возмущения. Для объяснения этих неправильностей было выдвинуто предположение о существовании еще одной планеты Солнечной системы, которая своим притяжением возмущает орбиту Урана. Француз Урбен Леверье и англичанин Джон Адаме почти одновременно решили задачу о предсказании свойств и о местоположении новой планеты, и в 1846 году эта планета (Нептун) была обнаружена вблизи предсказанного места. Примерно в эти же годы немецкий астроном Фридрих Бессель заметил легкие периодические изменения координат ярчайшей звезды ночного неба — Сириуса. Бессель предположил, что у Сириуса есть невидимый спутник, который позднее был, действительно, открыт.