Проблемы с реликтовым излучением

 

Рассмотрим отличие теории взрывающейся Вселенной от теории горячей Вселенной на примере интерпретации реликтового излучения.

Согласно теории горячей Вселенной примерно 15 млрд. лет назад произошёл так называемый «Большой взрыв», в результате которого всё вещество Вселенной превратилось в очень горячий газ, состоящий из элементарных частиц с температурой более 100 млрд. ° К. Спустя примерно 500 тыс. лет этот газ остыл из-за расширения Вселенной до 3000 ° К. После этого положительно заряженные протоны объединились с отрицательно заряженными электронами, образовав нейтральные атомы водорода. Произошла рекомбинация – превращение плазмы, состоящей из заряженных частиц, в нейтральный газ.

Электромагнитное излучение интенсивно взаимодействует с плазмой, но относительно легко проходит через нейтральный газ. Поэтому до рекомбинации вещество Вселенной было непрозрачно для излучения, а после рекомбинации – стало прозрачным. То есть после рекомбинации вещество и излучение отделились друг от друга. И именно это отделившееся от вещества излучение мы в настоящее время воспринимаем как реликтовое.

Таким образом, реликтовое излучение – это мгновенный снимок состояния вещества Вселенной, сделанный спустя примерно 500 тыс. лет после начала расширения.

Согласно этой точке зрения флуктуации температуры реликтового излучения должны быть достаточно велики. Ведь эти флуктуации отражают флуктуации плотности вещества, существовавшие в ранней Вселенной. А согласно теории горячей Вселенной галактики образовались в результате гравитационного сгущения разреженных газовых масс вокруг областей повышенной плотности.

Однако измерения, выполненные в 80-х и 90-х годах двадцатого века, показали, что флуктуации температуры реликтового излучения очень малы. И если эти флуктуации есть «слепок» с флуктуаций плотности вещества в ранней Вселенной, то совершенно непонятно, как галактики смогли образоваться из таких маленьких флуктуаций плотности.

Итак, сначала астрономы-теоретики предположили, что галактики образуются в результате сгущения газа вокруг областей с повышенной плотностью. Затем рассчитали минимальную величину флуктуаций плотности, при которых ещё возможно образование галактик. И, наконец, рассчитали, какую в этом случае следует ожидать величину флуктуаций температуры реликтового излучения.

Но измерения показали, что величина флуктуаций температуры реликтового излучения во много раз ниже порогового уровня, при котором ещё возможно образование галактик!

И чтобы спасти общепринятую теорию образования галактик, было выдвинуто следующее предположение. Во Вселенной существует особое вещество, так называемая тёмная материя. Это вещество имеет небарионную природу (то есть не имеет ничего общего с обычным веществом, состоящим из протонов и нейтронов), и его в десять раз (!) больше, чем обычного вещества. И это гипотетическое вещество нужно только для того, чтобы обеспечить необходимые условия для гравитационного сжатия разреженных газовых масс и таким образом «спасти» теорию горячей Вселенной.

Но теорию горячей Вселенной оказалось не так-то просто спасти даже путём введения такой гипотетической субстанции, как тёмная материя. Вот что написано об этом в журнале «В мире науки» [173,с.68]:

 

С моделью холодного тёмного вещества связаны и другие проблемы. По иронии судьбы наибольшее беспокойство доставляет микроволновое фоновое излучение, которое прежде было «поддержкой» космологов. Его изотропность всегда была сильной стороной теории, свидетельством «первородства» этого излучения. Но в модели тёмного холодного вещества предсказывается, что флуктуации, ответственные за образование галактик и более крупных структур, должны были оставить след (в виде локальных вариаций температуры) в фоновом излучении.

Этот след ещё предстоит найти. Приборы на борту спутника COBE (Cosmic Background Explorer), запущенном а прошлом году, зондировали это излучение с разрешением 1/10 000, но не обнаружили никаких флуктуаций интенсивности. Эти данные уже привели модель холодного вещества на грань катастрофы, и Джордж Смут из Калифорнийского университета в Беркли, член группы COBE, намекает, что и при измерениях с ещё большей точностью излучение должно быть таким же изотропным. Измерения фонового излучения с обсерватории на Южном полюсе, где сканировалась меньшая область неба, чем со спутника, но достигалось более высокое разрешение, также не выявило анизотропии.

В то же время всё большее число наблюдений показывает, что распределение галактик далеко не гладкое.

 

К этому ещё можно добавить, что все многочисленные попытки зарегистрировать частицы тёмной материи в земной лаборатории потерпели неудачу.

А что такое реликтовое излучение согласно теории взрывающейся Вселенной?

Согласно теории взрывающейся Вселенной примерно 15 млрд. лет назад первичное сверхплотное вещество Вселенной раскололось на тысячи удаляющихся друг от друга сверхплотных тел. При этом пространство между этими телами было заполнено горячим газом с температурой в сотни миллионов градусов, который истекал с их поверхностей. Спустя сотни тысяч лет этот газ охладился до 3000 °К и стал в результате рекомбинации прозрачным для излучения.

Таким образом, реликтовое излучение – это мгновенный снимок, сделанный не со всего вещества Вселенной, а только с той его части, которая находилась в газообразном состоянии.

Отсутствие значительных флуктуаций температуры реликтового излучения свидетельствует о том, что и флуктуации плотности газа в ранней Вселенной были также незначительны. Но согласно теории взрывающейся Вселенной галактики образовались не из этих флуктуаций, а в результате распада сверхплотных тел.

Итак, высокоточные измерения температуры реликтового излучения опровергают общепринятый сценарий образования галактик и не опровергают альтернативный сценарий.

А существуют ли такие астрономические данные, которые не только не опровергают теорию взрывающейся Вселенной, но и подтверждают её?

Если верна теория взрывающейся Вселенной, то спустя миллионы лет после начала расширения взорвались сверхплотные тела, возникшие в результате первой серии взрывов. При взрывах этих тел в окружающее пространство были выброшены огромные массы раскалённого газа. А при движении реликтового излучения через раскалённый газ (плазму) должна была произойти поляризация излучения. Вот что написано об этом в журнале «В мире науки» [164,с.40]:

 

Фотоны реликтового излучения, испущенные через 380 тыс. лет после Большого взрыва, в большинстве своём распространялись по наблюдаемой Вселенной беспрепятственно. Однако некоторые из них всё же испытали рассеяние на заряженных частицах, что вызвало поляризацию излучения в обширных областях небесной сферы. Результаты поляризационных наблюдений, выполненных космическим аппаратом WMAP, свидетельствуют о том, что около 17% фотонов рассеялись разреженным ионизированным газом через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Столь значительная доля рассеянных фотонов оказалась полной неожиданностью. Прежде космологи предполагали, что большая часть водорода и гелия была ионизирована излучением первых звёзд, очень массивных и ярких. Но по оценкам теоретиков, повторная ионизация произошла примерно через миллиард лет после Большого взрыва, и поэтому рассеяние должны были претерпеть лишь около 5% фотонов реликтового излучения. Данные, полученные от WMAP, говорят о том, что повторная ионизация произошла гораздо раньше.

 

Исследование спектров далёких квазаров также показало, что межгалактический газ был повторно ионизирован. Кроме того, в результате этих исследований было установлено, что межгалактическая газовая среда периодически подвергалась перемешиванию вследствие высокоэнергетических событий, происходивших в ней примерно раз в 100 млн. лет [139,с.36].