Таким образом, мы, обитатели современной Вселенной, должны быть в состоянии увидеть эти фотоны, которые свободно льются на нас с тех самых пор, как Вселенная стала прозрачной, то есть спустя 380 000 лет после Большого взрыва. Если у Вселенной нет краев, то эти фотоны должны прилетать к нам со всех участков неба. То есть в какую бы точку неба мы ни взглянули, на определенном расстоянии от нас должны оказаться фотоны, излученные через 380 000 лет после Большого взрыва и долетающие до нас только сейчас.
Эти фотоны излучались газом, имевшим температуру 3000 К и, следовательно, должны обладать спектром абсолютно черного тела, соответствующим этой температуре. Пик такого излучения абсолютно черного тела приходится на волны с длиной около 1 микрона (10–6 м). Однако в данном случае нужно учесть и еще один важный аспект этой истории: ведь Вселенная расширяется! Поэтому излучение абсолютно черного тела, соответствующее температуре 3000 К, подверглось красному смещению. Со времен 380 000-летнего возраста Вселенная, которой уже 13,8 миллиарда лет, расширилась примерно в 1000 раз. Длина волны интересующего нас излучения увеличилась во столько же раз за счет расширения пространства. Соответственно теперь это тепловое излучение достигает пиковых значений при длине волны не 1 микрон, а 1 миллиметр. Если пиковая длина волны увеличилась в 1000 раз, то температура должна была уменьшиться во столько же раз. Таким образом, теперь мы должны наблюдать, что это тепловое излучение льется на нас со всего неба и имеет температуру около 3 К. Это излучение – след тех времен, когда Вселенная просуществовала всего 380 000 лет, 0,003 % от ее нынешнего возраста.
В 1948 году Альфер и Роберт Герман, еще один ученик Гамова, спрогнозировали, что Вселенная и сегодня должна быть наполнена этим тепловым излучением, сохранившимся со времен Большого взрыва, и вычислили, что на настоящий момент его температура должна была упасть до 5 К – это значение оказалось близким к истине.
Но к 1960-м годам прогноз Германа и Альфера в основном забыли, и Боб Дикке, Джим Пиблс, Дэйв Уилкинсон и Питер Ролл с физического факультета Принстонского университета схожим путем сформулировали такой же прогноз. Они сделали еще один шаг, осознав, что излучение абсолютно черного тела, достигающее пиковых значений при длине волны 1 миллиметр, можно обнаружить при помощи радиотелескопов и таких датчиков, которые разработал Дикке. (Таким образом, они собирались искать микроволны, короткие радиоволны, образующиеся, например, при работе микроволновой печи.) Они приступили к сборке микроволнового телескопа на крыше одного из зданий в принстонском кампусе, чтобы проверить, удастся ли зафиксировать тепловое излучение юной Вселенной, которое просто должно было сохраниться, если идея Большого взрыва верна.
Но в итоге их обставили. Шел 1964 год, самое начало космической эры, и компания Bell Laboratories начинала продумывать, как использовать искусственные спутники для дальнодействующей коммуникации. Двое научных сотрудников из Bell Laboratories, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, исследовали, можно ли организовать спутниковую коммуникацию в микроволновом диапазоне, и пытались охарактеризовать космическое излучение, наблюдаемое на такой длине волн. Они пользовались большим радиотелескопом, установленным в кампусе Bell Laboratories в городе Холмдел, штат Нью-Джерси. Как же они удивились, обнаружив, что со всего неба льется микроволновое излучение – куда бы они ни направляли телескоп. Когда новость об этом дошла до Принстона, там поняли, что Пензиас и Вильсон открыли космический микроволновый фон – теоретически предсказанное реликтовое излучение (РИ). Две статьи – принстонская с этим прогнозом и статья Пензиаса и Вильсона с описанием открытия – были одна за другой опуликованы в майском номере The Astrophysical Journal за 1965 год.
Такие результаты позволили подтвердить наблюдениями еще один фундаментальный прогноз модели Большого взрыва. Когда Вселенной было 380 000 лет, РИ лилось из каждой ее точки – соответственно оно должно поступать сразу со всего неба и везде иметь одинаковую интенсивность. Действительно, это наблюдение напоминает нам, что Большой взрыв произошел сразу и везде, центра как такового у него не было, поэтому остаточное тепловое излучение Большого взрыва одинаково льется со всего неба. В 1967 году Пензиас и Вильсон опубликовали статью с описанием пределов изменчивости силы этого излучения по всему небу, предел составил несколько процентов. По мере того как совершенствовались технологии, измерения стали гораздо точнее, и ниже мы увидим, что это излучение отличается умопомрачительной однородностью: отклонения от него встречаются с частотой 1 к 105.
В своей первой статье от 1948 года Альфер и Герман прогнозировали, что температура спектра абсолютно черного тела у РИ должна быть около 5 К. В исходной статье Пензиаса и Вильсона указана величина 3,5 К (позже уточненная до 2,725 К). Эта цифра была поразительно близка к исходной оценке Альфера и Германа. Открытие РИ убедило астрономическое сообщество в правильности модели Большого взрыва. К примеру, модель неизменной Вселенной, которую отстаивал Фред Хойл, не может естественным образом объяснить РИ, но РИ – прямое и неизбежное следствие модели Большого взрыва. Именно так и развивается наука. Ученые постоянно проверяют идеи на прочность, чтобы убедиться в их правильности. В 1978 году Пензиас и Вильсон за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по физике.
В 1965 году научная карьера Пиблса и Уилкинсона только начиналась. После открытия РИ они решили посвятить себя космологии, изучению Вселенной в целом. Джим Пиблс стал одним из виднейших теоретиков, работающих в этой области. Дэйв Уилкинсон еще точнее измерил РИ, сначала при помощи наземных радиотелескопов, а затем – при помощи спутников, собиравших информацию прямо в космосе. (Должен упомянуть, что Уилкинсон – мой научный дедушка. Мой научный руководитель Марк Дэвис, под руководством которого я писал докторскую, защитил свою докторскую под руководством Дэйва Уилкинсона в 1974 году.)
Сначала Уилкинсон пытался ответить на такой вопрос: на самом ли деле РИ обладает спектром абсолютно черного тела? Он был одним из ведущих научных сотрудников, работавших над спутником NASA «Исследователь космического фонового излучения» (COBE), спроектированным для высокоточного измерения спектра РИ. Проект превосходно удался: спектр РИ, измеренный COBE, отлично совпал с формулой спектра абсолютно черного тела, с минимальными погрешностями. Этот эксперимент был назван «самым точным измерением спектра абсолютно черного тела в природе» (рис. 15.1).
Далее Уилкинсон взялся за следующий большой вопрос: насколько однородно РИ, то есть обладает ли оно одинаковой интенсивностью (или, что аналогично, одинаковой температурой) во всех направлениях? Космологический принцип, предполагающий, что в максимальных масштабах Вселенная должна быть очень однородной, влечет
