№1, 2007 г.
№1, 2007 г.
ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ 2006 ГОДА По физике - Дж. Мазер и Дж. Смут
Нобелевская премия по физике 2006 г. присуждена двум американским ученым за “открытие планковской формы спектра космического фонового излучения и анизотропии космического фонового излучения”.
Говоря без преувеличений, история обнаружения и исследования реликтового излучения * подобна захватывающему детективному роману. Разница только в том, что все происходило на самом деле и продолжает активно развиваться на наших глазах. Перефразируя французского писателя Жюля Верна, можно сказать, что нам посчастливилось жить в эпоху “великих космологических открытий”.
* Английскому названию “Cosmic Microwave Background Radiation” (космическое фоновое излучение) в русскоязычной литературе соответствует термин “реликтовое излучение”.
Результаты, которые принесли лауреатам наивысшую научную награду, были получены в ходе космического эксперимента НАСА, проводимого с помощью спутника “COBE”. Этот космический спутник, названный по аббревиатуре термина “Cosmic Background Explorer” (рис.1) и запущенный 18 ноября 1989 г., был ориентирован на исследование реликтового излучения. “COBE” был многочастотным и многоцелевым инструментом. На нем были установлены три основных комплекса аппаратуры.
Рис. 1. Спутник “COBE”. Наверху за конусообразным шитом расположены приборы для изучения реликтового излучения (шит предназначался для защиты от постороннего излучения - излучения Земли, Солнца и т.п.). Приборы FIRAS и DIRBE находились внутри основной панели инструментов - в двух черных отверстиях. По окружности основной панели располагались три радиометра прибора DMR.Основной научный комплекс, руководителем работ на котором был Смут, DMR (Differential Microwave Radiometer - дифференциальный микроволновой радиометр), состоял из нескольких радиометров на три частоты: 32, 53 и 90 ГГц. Именно он и был предназначен для обнаружения анизотропии реликтового излучения. Антенны каждого из радиометров обладали диаграммой направленности с полушириной 5°; они были развернуты так, что угол между направлениями приема составлял 60°.Вторая по значению роль принадлежала FIRAS (Far InfraRed Absolute Spectrophotometer - инфракрасный спектрометр). Основной задачей этого прибора было измерение спектра реликтового излучения с точностью, в 100 раз превышающей все предыдущие измерения. Руководил проектом FIRAS Мазер.
Наконец, последний научный комплекс назывался DIRBE (Diffuse InfraRed Background Experiment - эксперимент по измерению фона рассеянного инфракрасного излучения). DIRBE предназначался для детектирования слабого свечения от первых звезд и галактик во Вселенной. Расстояние от этих объектов до нас должно составлять ~10 Гпк (красное смещение z~10), поэтому их свет должен представляться в виде очень слабого фонового свечения, которое невозможно зарегистрировать с поверхности Земли из-за наличия атмосферы, подсвеченной Солнцем. Приборы комплекса DIRBE были настолько чувствительными, что обнаружили бы это первичное свечение даже в том случае, если бы оно составляло всего 1% от зодиакального света! Тем не менее, вклад результатов этого эксперимента в космологию оказался не столь значительным, как вклад комплексов DMR и FIRAS.
Что же из себя представляет реликтовое излучение и почему его открытие стало знаковым событием в истории космологии, наравне с открытием хаббловского расширения нашей Вселенной?
Как известно, при расширении все тела охлаждаются, а при сжатии - нагреваются. Согласно астрономическим наблюдениям, наша Вселенная расширяется. Юная Вселенная была значительно горячее, чем сейчас, и содержала только высокотемпературную плазму. Частицы этой плазмы, включая и фотоны, находились в термодинамическом равновесии и обладали спектром абсолютно черного тела. Реликтовое излучение - это фоновое космическое излучение, равномерно заполняющее всю Вселенную и не имеющее источников. Это свет “самых первых”, “самых старых” фотонов, получивших возможность распространяться свободно, как только температура расширяющейся Вселенной упала до такого уровня (3000 К), что произошла рекомбинация - соединение протонов и электронов в атомы водорода - и материя и излучение смогли разделиться. Момент времени, когда это случилось, соответствует так называемой “поверхности последнего рассеяния”.
Реликтовое излучение было теоретически предсказано Г.А.Гамовым в 1946 году. Он разрабатывал теорию нуклеосинтеза в модели горячей Вселенной и оценил температуру возникающего теплового электромагнитного излучения со спектром абсолютно черного тела в 6 К. В 1965 г. реликтовое излучение было случайно открыто американскими радиоинженерами компании “Белл” А.Пензиасом и Р.Вильсоном во время работы над новым усовершенствованным радиометром. С подробной историей этого открытия читатели могут ознакомиться в журнале “Природа” [1], а также в книге [2].
Дальнейшие наблюдения показали, что реликтовое излучение действительно обладает спектром абсолютно черного тела, правда, его температура оказалась равна 2.725 К - в два с лишним раза ниже оценки Гамова. Существование этого излучения служит основным доказательством теории Большого Взрыва.
Результаты измерений, проведенных инструментом FIRES спутника “COBE”, представлены на рис.2. Очень важно, что исследователям группы Мазера удалось измерить характеристики излучения в области максимума спектра. Измеренная температура реликтового излучения остается постоянной (в пределах ошибок), что лучше всего подтверждает “чернотельный характер” спектра. Отклонения от планковского закона, которые предсказываются современной теоретической космологией, должны быть значительно меньше средней температуры излучения. Таким образом, тот факт, что мы не обнаруживаем значительных отклонений от формы планковского спектра, свидетельствует: космологи правильно понимают основные процессы, которые порождают реликтовое излучение.
Рис. 2. Экспериментальная зависимость термодинамической температуры реликтового излучения от длины волны. Волновому вектору 10 см-1 соответствует частота 300 ГГц, находящаяся вблизи максимума в спектре реликтового излучения. Спектр излучения абсолютно черного тела на таком графике представляется прямой, параллельной оси абсцисс, так и получилось для измерения температуры реликтового излучения. С учетом погрешности измерений отклонения от закона абсолютно черного тела нет. Среднее значение температуры - 2.726 K.Космологи-экспериментаторы измеряли температуру реликтового излучения многократно и в широком диапазоне длин волн. Эти наблюдения проводились для того, чтобы подтвердить вид спектра и обнаружить отклонения от него, если они существуют. Такие отклонения могут возникать, если во Вселенной во время ее эволюции происходили неравновесные процессы.Пусть, например, в какой-либо момент эволюции Вселенной, не слишком далеко отстоящий от момента рекомбинации, в плазме выделялась энергия. Скажем, в плазме были нестабильные элементарные частицы, которые распались до момента рекомбинации. Тогда во Вселенной появились фотоны, обладающие узким спектром. Они взаимодействовали с электронами, рассеивались и меняли свою энергию. Процессы рассеяния вели к тому, что спектр “впрыснутых” фотонов расплывался, и его форма стремилась к равновесному спектру излучения абсолютно черного тела. Таким образом, после завершения процесса такого взаимодействия в плазме снова должно наступить равновесие между фотонами и другими частицами. Но может оказаться так, что времени для установления равновесия не хватит. Тогда в спектре возникнет отклонение, связанное с избытком фотонов, который укажет не только время выделения дополнительной энергии, но и его механизм.
Помимо неравновесных процессов, отклонения от планковского спектра могут возникать и по другим причинам, которые в совокупности порождают анизотропию реликтового излучения - второй составляющей формулировки заслуг лауреатов.
Анизотропия реликтового излучения заключается в том, что температура излучения несколько отличается для различных направлений на небе. Она возникает из-за нескольких физических механизмов.
Прежде всего, это эффект Сакса-Вольфа, возникающий при распространении фотонов в неоднородном гравитационном поле. Если фотон движется в сторону роста гравитационного потенциала, то он теряет свою энергию и испытывает красное смещение, если, наоборот, - в сторону убывания потенциала, то приобретает энергию и его частота смещается в голубую сторону. Для одного фотона этот эффект приводит к изменению частоты, а для ансамбля фотонов - к изменению их температуры.
Второй, не менее важный вклад в анизотропию дает эффект Силка. Он вызывается адиабатическими флуктуациями плотности. Если энтропия плазмы (т.е. отношение числа барионов к числу фотонов) однородна по пространству, то флуктуации плотности материи приводят к флуктуациям числа фотонов. Другими словами, место, где плотность больше, будет горячей. После момента рекомбинация такие неоднородности выглядят как муар или рябь на поверхности последнего рассеяния.
Наряду с изменениями плотности важную роль играет эффект, порождаемый пекулярным движением вещества, т.е. случайным движением, наложенным на общее хаббловское расширение нашей Вселенной. Из-за этого движения энергия излученных фотонов меняется в соответствии с эффектом Доплера - это третий физический механизм, приводящий к анизотропии.
Не связанным непосредственно с процессами в эпоху рекомбинации, но важным при описании эволюции Вселенной при относительно низких значениях красного смещения, является эффект Сюняева-Зельдовича. Он возникает, когда реликтовые фотоны проходят через облако горячих электронов, и в результате актов рассеяния электроны передают им часть своей энергии, изменяя их температуру.
Реликтовые фотоны идут к нам со всех направлений небесной сферы. Поэтому адекватный математический аппарат для анализа их углового распределения - это разложение по сферическим функциям (или по мультипольным гармоникам). Распределение “амплитуда гармоники - ее номер” образует угловой спектр анизотропии реликтового излучения. Он определяется спектром возмущений плотности и спектром гравитационных волн, а также перечисленными выше эффектами (Сакса-Вольфа, Силка и Доплера).
Структура неоднородностей на поверхности последнего рассеяния полностью характеризует свойства ранней Вселенной! Фундаментальное открытие радиоактивности Э.Резерфордом позволило человечеству перейти на новый уровень энергий: от химических к ядерным, при этом масштаб энергий изменился всего на несколько порядков. Открытие анизотропии реликтового излучения позволяет рассуждать о свойствах материи и структуре пространства-времени при энергиях, в миллиарды миллиардов раз превышающих ядерные. Анизотропия фотонов открывает тайну рождения нашей Вселенной, в нее “впечатаны” следы ее детства, юности и взросления. Все, что происходило в ранней Вселенной, отражено в неоднородностях фона.
Каждый шаг в исследовании реликтового излучения требовал больших усилий экспериментаторов, зато приводил к важным физическим открытиям и характеризовал концептуальные выборы направления развития космологии в целом.
Прежде всего, открытие фонового излучения подтвердило теорию горячей Вселенной. Как уже было сказано, сам факт его существования - один из решающих аргументов в пользу теории Большого Взрыва.
Следующий шаг - открытие анизотропии реликтовых фотонов - потребовало увеличения чувствительности радиометров в 1000 раз! Амплитуда самой значимой части возмущений излучения составляет всего 3 мК. Ее измерение позволило установить наиболее близкую к универсальной систему отсчета, а также определить пекулярные скорости галактик и многое другое. Поиск крупномасштабной анизотропии (вклады возмущений со все более низкими амплитудами вплоть до ~30 мкК) вновь потребовало увеличения чувствительности приборов еще в 100 раз.
Анизотропия реликтового излучения была открыта в 1992 г. Один из авторов статьи принимал непосредственное участие в обработке данных, полученных в ходе эксперимента, который проводился на борту космического аппарата серии “Прогноз”. Эксперимент назывался “Реликт” (рис.3). Спутник нес радиометр, регистрирующий излучение с длиной волны 8 мм с рекордной по тому времени чувствительностью по измерению температуры - 35 мК за секунду накопления. Радиометр, рассчитанный на одну частоту, был наиболее уязвимой частью всего эксперимента с точки зрения методологии астрономических наблюдений. (Многочастотный эксперимент позволил бы с большей надежностью выявить природу анизотропии излучения, наш же вариант оставлял место для спекуляций на эту тему.) Радиометр представлял собой две рупорные антенны, угол между которыми составлял 90° (диаграмма направленности каждой антенны занимала 5°) и собственно радиометрический тракт. Спутник медленно вращался вокруг своей оси, делая один оборот за две минуты. Один рупор был направлен вдоль оси вращения и все время принимал радиосигнал из одной небесной точки. Он назывался опорным рупором. Второй за две минуты полностью “просматривал” (в астрономии принят термин “сканировал”) большой круг небесной сферы. В таком положении спутник находился примерно неделю, успевая просмотреть каждый элемент большого круга несколько тысяч раз. После этого спутник переориентировался и сканировал новый круг на небе.
Рис. 3. Спутник “Реликт”, открывший анизотропию реликтового излучения. На верхней панели установлены радиометры. Поскольку измерения велись в основном в верхней точке орбиты (700 тыс. км), щит для экранирования внешних излучений не был нужен.Спутник был запущен в 1984 г., работал полгода, и за этот срок была получена карта всего неба на длине волны 8 мм. Анализ данных длился несколько лет с публикациями промежуточных результатов и был завершен к концу 1991 г. В январе 1992 г. на семинаре в ГАИШ МГУ наша группа (И.А.Струков, Д.П.Скулачев, А.А.Брюханов и М.В.Сажин) представила доклад об открытии анизотропии реликтового излучения.К этому времени созданный НАСА космический аппарат “COBE”, аналогичный аппарату “Реликт”, хотя и более усовершенствованный (прежде всего, из-за наличия двух дополнительных радиометров), находился на околоземной орбите уже два года. В конце апреля 1992 г. научный руководитель комплекса DMR Смут на специально собранной пресс-конференции объявил об открытии анизотропии фона. Средства массовой информации распространили это сообщение по всему миру как научную новость “номер один”. Теперь, в 2006 г., спустя почти 15 лет, Мазер и Смут удостоены Нобелевской премии по физике за это открытие. На рис.4 приведена синтезированная карта небесной сферы, полученная в ходе проведения эксперимента “COBE-DMR”. Разная цветовая насыщенность точек карты соответствует разной температуре реликтового излучения, характеризуя его анизотропию.
Рис. 4. Карта радиояркости неба в миллиметровых лучах, полученная спутником “COBE”. Вверху изображено дипольное распределение анизотропии реликтового излучения, полученное в результате работы этого спутника. В середине - распределение радиояркости всего неба, включая нашу Галактику. Внизу - распределение радиояркости на поверхности последнего рассеяния (излучение нашей Галактики “вырезано”). В отличие от репортеров, многие специалисты вначале скептически встретили известие об обнаружении анизотропии реликтового излучения. Тем не менее сейчас это открытие получило общее признание. Если эксперименты “Реликт” и “COBE-DMR” могли обнаружить только крупномасштабную анизотропию (характерный угловой масштаб переменности яркости излучения по небу составлял десятки градусов), то затем другие группы экспериментаторов стали говорить о наблюдении анизотропии уже в средних угловых масштабах. Эти эксперименты проводились радиоастрономами с наземных радиотелескопов, а также в ходе баллонных экспериментов.
В начале 2006 г. были опубликованы результаты трехлетних наблюдений на космическом спутнике WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Спутник до сих пор в работе. Данные WMAP подтверждают открытие анизотропии, позволяя построить угловой спектр в широком диапазоне мультипольных чисел (рис.5). В начале графика идет плато Зельдовича-Харрисона, названное так в честь академика Я.Б.Зельдовича и американского физика Е.Харрисона. Затем появляется первый доплеровский пик, максимум которого приходится на значение мультипольного числа ~220 (что соответствует угловому масштабу около 1°). За ним следуют еще два пика Доплера, которые измерены с достаточной точностью. Положение пиков и их амплитуда зависят от нескольких глобальных параметров Вселенной - параметра Хаббла, полной плотности, вклада плотности барионов, вклада плотности темной материи и темной энергии и т.п. (подробнее о последних данных см. [3]).
Рис. 5. Спектр угловых флуктуаций анизотропии реликтового излучения, полученный в результате трехлетней работы спутника WMAP. По оси абсцисс отложено мультипольное число l , которое эквивалентно угловой шкале флуктуаций. Чем больше значение числа l , тем меньше угловой размер флуктуаций. Мультипольное число - аналог частоты (волнового вектора) при измерениях на сфере. По оси ординат отложена амплитуда соответствующей гармоники. Амплитуда нормирована множителем, зависящим от мультипольного числа так, чтобы спектр угловых флуктуаций типа Харрисона-Зельдовича представлял собой прямую линию, параллельную оси абсцисс.Открытие анизотропии реликтового излучения положило начало эпохе прецизионной космологии. Появилась возможность измерять основные параметры нашей Вселенной с точностью до нескольких процентов или даже долей процента. Результатом этого открытия, а также других наблюдений и теоретических разработок, стало построение Стандартной космологической модели.В настоящее время готовятся несколько космических проектов для исследования анизотропии и поляризации реликтового излучения. Прежде всего следует отметить европейский космический проект “Планк”. Если в результате работы этого спутника будет обнаружена так называемая B-мода поляризации фотонов, то впервые окажется возможным измерить фон гравитационных волн, рожденных во время инфляционной стадии развития Вселенной. Открытие гравитационных волн возвестило бы эпоху “зондирования” ранней Вселенной и физики вблизи предельно высоких энергий (1019 ГэВ) с помощью методов экспериментальной космологии.
Остается только сожалеть, что, несмотря на пионерские работы по исследованию анизотропии реликтового излучения, выполненные отечественными учеными, сейчас в России не планируется ни одного космического эксперимента в этом направлении.
© Сажин М.В.,
доктор физико-математических наук© Хованская О.С.,
кандидат физико-математических наук
Государственный астрономический институт им.П.К.Штернберга
МоскваЛитература
1. Зельдович Я.Б., Сюняев Р.А. Лауреаты Нобелевской премии 1978 года по физике - А.Пензиас и Р.Вильсон // Природа. 1979. №1 С.101-103.
2. Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. М., 2002.
3. Сажин М.В. // Успехи физ. наук. 2004. Т.174. №2. C.197-205.
