До третьего десятилетия XX в. астрономическая картина мира формировалась, опираясь исключительно на наблюдения в оптическом диапазоне спектра. Характерными чертами ее были представления о комической материи главным образом в виде звезд с «примесью газопылевой материи. Основные наблюдаемые явления объяснялись действием гравитации, ядерными и атомными процессами на базе новой физики: теории относительности и квантовой механики. Но все излучение мыслилось тепловым, а процессы в космосе установившимися и устойчивыми. Все объекты во Вселенной, хотя и считались в принципе эволюционирующими, но процесс этот предполагался чрезвычайно медленным. Взрывы — в виде новых и сверхновых звезд — представлялись если не случайными, то редкими событиями. Открытие в 1920-х гг. глобальной нестационарности (расширения) Вселенной не изменило представлений о «локально спокойной» космогонической картине мира.
1930—40-е гг. буквально взорвали эту картину, приоткрыв астрономам совершенно необычную, новую и бурную вселенную — радиовселенную.
Открытие радиовселенной. Уже первые наблюдения Ребера открыли неизвестную прежде «радиовселенную»: яркие звезды в ней «молчали»; радиоизлучение, имевшее непрерывный спектр, шло в основном из области Млечного Пути, т.е. «сигналила» — излучала диффузная материя.
Еще более неожиданным открытием стало обнаружение радиоизлучения новой, нетепловой природы. Его механизм — радиоизлучение электронов при торможении их в магнитных полях - «синхротронное» излучение. Оно имело непрерывный спектр, но совершенно необычное распределение в нем энергии.
Такое радиоизлучение шло от так называемых дискретных радиоисточников, открытых еще в 1946—1949 гг. английскими и австралийскими радиоастрономами. Были открыты дискретные радиоисточники и в Солнечной системе, составившие их третий тип: это атмосферы некоторых планет и кометы.
В последующие годы радиоастрономия преподнесла новые сюрпризы. С 1960 г. были известны удивительные почти точечные оптические источники с сильным радиоизлучением, отчего их назвали «квазизвездными радиоисточниками» (квазары). В оптике они напоминали чрезвычайно горячие голубые звезды, но с совершенно неизвестными линиями в спектре. Природа их оставалась полной загадкой, пока в 1963 г. молодой голландский астроном, работавший в США, Мартин Шмидт не установил, что странные линии в их спектрах принадлежат обычным элементам, но чудовищно сдвинуты в красную область. При доплеровской природе сдвига эти «звезды» должны были удаляться от нас со скоростями около 50 тыс. км/с! Квазары тогда оказывались самыми мощными из открытых источниками энергии во Вселенной. Типичный квазар излучает, как добрая галактика, а то и сотня их! У них были обнаружены и признаки явной нестационарности: переменность блеска и выбросы вещества с огромными скоростями. Квазары поставили перед астрономами новую и еще не до конца решенную проблему — их природы и источника их чудовищной энергии.
Другим сюрпризом стало открытие в 1967 г. кембриджской аспиранткой Дж, Белл из группы радиоастронома Хьюиша источников с фантастически быстрой и не менее фантастически правильной переменностью. Их даже зашифровали сначала как «сигналы маленьких зеленых человечков» — допускался их искусственный характер! Это были пульсары. За открытие их Хьюиш получил Нобелевскую премию. Позднее было установлено, что это впервые обнаруженные сверхплотные звезды — нейтронные, остатки взрыва сверхновых звезд. Их существование было предсказано в 1930-е гг. Л.Д. Ландау, В. Бааде и Ф. Цвикки.
С 1960-х гг. картина Вселенной стала быстро пополняться и другими экзотическими радиообъектами. Среди них космические «мазеры» — сгустки диффузной материи в газо-пылевых облаках, окружающих молодые или даже формирующиеся звезды, а то и протопланетные газопылевые диски. В начале 1970-х были открыты четверть века затем загадочные у-всплески. Лишь на исходе тысячелетия удалось понять, что это такой колоссальной мощности взрывы в удаленных галактиках, перед которыми квазары выглядят просто светлячками... Возможно, в максимуме блеска светимость у-всплеска больше, чем у 10 тысяч квазаров, известных в Метагалактике, вместе взятых! А то и сравнима с суммарной светимостью всей Метагалактики... Природа их до сих пор не объяснена. Одна из наиболее модных гипотез — слияние двух нейтронных звезд. А то и что-то куда более нетривиальное!.. Таким образом, открытие мазеров, пульсаров и г-всплесков, возможно, впервые позволило увидеть начальные и конечные этапы жизни звезды.
В 1927 г. Жорж Леметр независимо от Фридмана выдвинул свою гипотезу возникновения Вселенной и ее дальнейшего расширения из «точки». Процесс возникновения Вселенной Леметр представил в форме Большого Взрыва. Он первым попытался «нащупать» и его наблюдаемые следы. Леметр допускал, что таким отголоском могли быть космические лучи (открытые в 1912 г. В. Гессом и В. Кольхерстером). Однако гипотеза Леметра была «услышана» астрономами только после его выступления в 1933 г., когда он предложил новый вариант концепции расширения Вселенной — из плотного сгустка материи конечных, но очень малых размеров.
В то же время новая теория впечатляюще соответствовала наблюдениям и общей релятивистской физической картине мира. Поэтому она привлекла внимание физиков и астрономов, развивавших астрономические следствия ОТО.
Формирование более конкретной, физической космолого-космогонической теории возникновения и эволюции Вселенной связано в первую очередь с именем Джорджа Гамова (1904—1968), одного из самых выдающихся физиков-теоретиков XX в. Американец русского происхождения, Дж. Гамов был специалистом в атомной и ядерной физике; внес фундаментальный вклад в астрофизику, а также в генетику. Одним из первых он применил успехи ядерной физики, в том числе собственные результаты, для решения проблемы источников внутризвездной энергии и для развития теории эволюции звезд. В значительной степени под его влиянием Ганс Бете создал свою теорию азотно-углеродного цикла ядерных реакций как источника энергии звезд. В свою очередь Гамов построил на этой основе первую ядерную теорию звездной эволюции (1937—1940). В 1939 г. он предложил нейтринную теорию взрыва сверхновых; в 1942 г. построил детальную теорию эволюции красных гигантов. Согласно теории Гамова, предложенной им впервые в 1946 г., вся современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого расширения и разлета материи из некого начальною сверхплотного состояния, недоступного для описания в рамках современной теоретической физики. Этот процесс рождения Вселенной получил наименование Большого Взрыва, но позднее был осознан скорее как Большой Удар или даже скорее Большой Хлопок (Big Bang). (В настоящее время этот начальный разлет материи понимается как происходивший без начального перепада давления в среде, и потому он не был «взрывом в обычном смысле» (такое уточнение внес Я.Б. Зельдович).
Начавшееся при этом расширение материи — сначала в форме неразделимой из-за чудовищных скоростей (температуры) элементарных частиц вещества и фотонов, непрерывно переходящих друг в друга, — по мере остывания и отделения излучения от вещества разделилось на два процесса и наблюдается в наши дни. Что касается вещества, то, сформировавшись в мир звезд и галактик, оно демонстрирует расширение в виде эффекта красного смещения. Но кроме того Гамов и его сотрудники Р. Альфер и Р. Герман еще в 1948 г. предсказали, что в современной Вселенной должно наблюдаться и заполнившее ее первичное излучение. Теперь уже остывшее, оно должно, по расчетам Гамова, проявляться как тепловое изотропное радиоизлучение — с температурой ~ 5 К.
Однако развитию этой теории в те годы сильно препятствовало общее скептическое отношение астрофизиков к столь фантастической задаче — понять начало истории всей Вселенной в целом! С другой стороны, и радиофизики считали это не менее фантастичным — пытаться уловить столь слабый сигнал из мирового пространства, который, без сомнения, будет заглушен уже наблюдаемым радиоизлучением звезд, галактик, межзвездной среды, короче, космическим радиошумом.
Открытие реликтового излучения и первое наблюдательное подтверждение теории Большого Взрыва
Почти два десятилетия концепция Большого Взрыва для подавляющего числа астрономов оставалась «игрой ума» немногих физиков и космологов. И только позднее стало ясно, что более раннему решению проблемы в немалой степени помешал тот разрыв в научных контактах, который все еще существует между современными теоретиками и наблюдателями. Сыграла существенную негативную роль и чрезмерная дифференцированность современной науки, ввиду чего специалисты, работающие даже в близких областях, порой мало осведомлены о проблемах соседей.
Еще в 1941 г. канадский астрофизик Э. Мак-Келлар (1910—1960), открывший за год до этого в межзвездном пространстве молекулы СН, СН+, CN и другие, столкнулся с загадочным фактом — возбужденным состоянием молекул межзвездного циана, температура возбуждения которых составляет 2,3 К. Это могло бы послужить первым сигналом о наличии в мировом пространстве соответствующего излучения-возбудителя! Но авторы теории Большого Взрыва в 1946 г. не только не вспомнили, но, возможно, даже не слыхали об этом. И то, что такое состояние молекул CN вызвано именно реликтовым излучением, показали позднее советский астрофизик И.С. Шкловский (1916—1985) и ряд других астрономов. Более того, в 1956 г. пулковский аспирант-радиоастроном Т.А. Шмаонов зарегистрировал радиоизлучение космического фона с абсолютной эффективной температурой, «равной 3,1+3,1 К (в зените) и 3,9±4,2 К (в полярной области)», отметив, что температура излучения «не менялась существенно со временем» (то есть радиоизлучение было близким к изотропному!). Заметим, что задача была поставлена именно для «измерения эквивалентной температуры радиоизлучения фона на волне 3,2 см», для чего была сконструирована специальная аппаратура — рупорная антенна. При постановке исследования указанных выше областей неба учитывалось, что «согласно теоретическим расчетам максимальная величина температуры радиоизлучения в области зенита не должна превышать 5 К на волне 3,2 см», — писал автор этих исследований. (Вспомним, что Гамов предсказывал именно такую температуру остаточного излучения! Было ли это совпадение случайным или в Пулкове что-то знали о гипотезе Гамова, само имя которого в Советском Союзе в те годы было под запретом?.. К сожалению, прояснить это пока не удалось.)
В1957 г. Шмаонов защитил по своим результатам диссертацию, в которой сообщал, в частности, что он зарегистрировал некое фоновое радиоизлучение с температурой около 4 К (но еще с небольшой точностью ± 3 К) и доказал его космическое происхождение. Тем не менее, важное открытие прошло мимо внимания других астрофизиков и космологов. (Опубликованные в русском, к тому же чисто техническом журнале результаты Шмаонова остались, конечно, неизвестны за рубежом.)
Как стало известно впоследствии, подобный «недолет» случился и с японскими радиоастрономами, которые еще в начале 1950-х гг. также фактически зарегистрировали низкотемпературное фоновое радиоизлучение из космоса, но также не обратили на это должного внимания.
В 1964 г. советские астрофизики-теоретики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков провели расчет, впервые показавший, что на сантиметровых волнах предсказанное первичное радиоизлучение должно «забивать» все известные источники и, вопреки опасениям радиофизиков, вполне обнаружимо. Но этот важный вывод остался, очевидно, неизвестным радиоастрономам-наблюдателям!
Между тем интерес к проблеме в 1960-е гг. начал расти в связи с попытками решения другой фундаментальной проблемы — формирования химических элементов во Вселенной на ранних стадиях ее расширения. Проблема «холодного» или «горячего» начального состояния Вселенной вызывала острые дискуссии и сама становилась «горячим » дискуссионным элементом в астрономической картине мира.
В такой обстановке американский физик-космолог и радиофизик Р. Дикке с сотрудниками начал подготовку к прямой проверке концепции Большого Взрыва. Поэтому, когда в 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вилсон (не слыхавшие о теории Гамова!) при испытании рупорной антенны для наблюдения американского спутника «Эхо» совершенно случайно обнаружили устойчивый космический радиошум в микроволновом диапазоне (на волне 7,35 см), не зависящий от направления антенны, Дикке, узнав об этом, сразу понял, что речь идет, быть может, о самом фундаментальном открытии века — открытии остаточного первичного излучения Вселенной.
Так теория «Большого Взрыва» (Big Bang) получила — еще при жизни ее автора — первое наблюдательное подтверждение, а инженеры — Нобелевскую премию (в дальнейшем они стали видными радиоастрономами). И.С. Шкловский дал удачное имя фоновому радиоизлучению, назвав его реликтовым.
Открытие реликтового излучения стало величайшим достижением в астрономии XX в. и в значительной степени явилось результатом развития радиоастрономической техники и того, что сама научная атмосфера созрела, наконец, для его восприятия. Это открытие сделало достоверным фактом по меньшей мере то, что наша Вселенная (Метагалактика) действительно эволюционирует. Наконец, открытие реликтового излучения стало мощным стимулом для дальнейшего развития теории Большого Взрыва, или, как ее стали вскоре называть — теории горячей Вселенной.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему