Проблема структуризации Вселенной

Планковский характер спектра реликтового излучения является свидетельством существования в прошлом состояния локального термодинамического равновесия (ЛТР) между квантами и космической плазмой. Это условие позволяет построить детальную тепловую историю ранней Вселенной с указанием характерных этапов, когда происходило изменение качественного состава материи вследствие взаимопревращений различного рода элементарных частиц. Однако, по мере приближения к современному состоянию равновесие между плазмой и излучением неизбежно должно было разрушиться, ведь расширение Вселенной одновременно является и источником охлаждения вещества. Охлаждение космической плазмы приводит к необратимым изменениям её состава - свободные электроны захватываются протонами и образуют нейтральные атомы водорода. Этот процесс играет решающую роль в динамике формирования анизотропии реликтового излучения, поскольку резкое уменьшение концентрации свободных носителей заряда (электронов и протонов) "выключает" реликтовое излучение из взаимодействия с веществом. При этом спектр реликтового излучения "консервирует" в себе информацию о сво́йствах поверхности последнего рассеяния квантов на свободных носителях заряда. Каковы же свойства этой "поверхности"? Этот вопрос, несмотря на его кажущуюся простоту, на протяжении почти 30 лет определял вектор развития одного из самых бурно прогрессирующих направлений внегалактической радиоастрономии, стимулируя как теоретические, так и экспериментальные исследования. Дело в том, что именно свойства поверхности последнего рассеяния квантов на электронах являются ключом к решению важнейшей проблемы астрофизики, да и всего естествознания – как и почему в расширяющейся Вселенной возникли различные структурные формы самоорганизации материи? Корни этой проблемы уходят глубоко в историю астрономии и физики, к эпохе Галилео Галилея и Исаака Ньютона, когда первый, с помощью простейшего телескопа, существенно расширил горизонты изучения космоса, а второй, открыв закон всемирного тяготения, показал, что небесные тела движутся (и существуют) благодаря гравитации материи.

Гравитационная неустойчивость по Джинсу

Следующий шаг в решении проблемы сделал Джеймс Джинс, опубликовавший в 1902 году знаменитую работу о гравитационной неустойчивости пылеви́дной материи. Вкратце, постановка задачи и основные результаты этой работы сводились к следующему.

Представим себе, что космическое пространство заполнено однородно распределенным веществом, давлением которого можно пренебречь. Создадим в этом веществе слабую сферически симметричную неоднородность плотности (флуктуацию). Пусть для определенности это будет зона сгущения вещества. Тогда этот избыток вещества будет автоматически создавать избыток гравитационного поля, который, в свою очередь будет вызывать гравитационное ускорение частиц и, направленное к центру конфигурации. Такое движение вещества к центру, в свою очередь, приводит к уплотнению вещества, а, следовательно - к увеличению его плотности. Далее круг замыкается. Увеличение плотности приводит к увеличению гравитации, гравитация усиливает поле скоростей, скорости повышают степень уплотнения и т.д. Точный расчёт показывает, что если в момент создания флуктуации начальный контраст плотности был сколь угодно мал, но конечен, то с течением времени он будет возрастать чрезвычайно быстро. Применительно к галактикам, элементарные расчёты, основанные на идее Джинса, показывают, что за время порядка 3-10 млрд. лет микроскопические по амплитуде флуктуации плотности успеют дорасти до современного уровня и сформировать галактики. На первый взгляд, ключ к решению проблемы происхождения структур во Вселенной найден, ведь в любой системе большого числа частиц всегда существуют малые флуктуации в распределении их плотности (так называемые, статистические флуктуации). И, если для данной системы главным взаимодействием между частицами является гравитационное взаимодействие, то стоит подождать сравнительно небольшой отрезок времени, как вся система распадется на сгустки! Есть, правда, одна маленькая деталь, которая портит всё впечатление от простоты и элегантности решения проблемы. Дело в том, что мы не случайно обратили внимание на год публикации работы Джеймса Джинса – 1902. До открытия хаббловского разбегания галактик ещё оставалось почти 27 лет. К чему же приведёт учёт эффекта расширения Вселенной? Качественно ответ на этот вопрос ясен - расширение приводит к перестройке поля скоростей вещества в зоне неоднородности и вместо уплотнения конфигурации мы получим прямо противоположный эффект – неоднородность в распределении гравитирующей материи должна диссипи́ровать (сглаживаться). Казалось бы, после 1929 года эффективный механизм гравитационной неустойчивости можно "списывать на свалку истории". Но, к счастью, это оказалось не так.

Темпы гравитационной неустойчивости по Е.М. Лифшицу

В 1946 году советский физик Е.М. Лифшиц детально исследовал вопрос о темпе гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной. Основные выводы его работы сводились к следующему. Действительно, космологическое расширение приводит к уменьшению скорости нарастания амплитуды неоднородностей. Но средняя плотность материи уменьшается во времени ещё быстрее. Следовательно, контраст плотности всё-таки возрастает, хотя и значительно медленнее, по сравнению с наивным результатом, базирующемся на идее Джеймса Джинса. На первый взгляд, чисто количественное различие - вместо сильного лишь относительно слабый темп роста флуктуаций. Однако за этим различием кроются фундаментальные физические следствия. И, прежде всего – структура во Вселенной не является продуктом усиления обычных статистических флуктуаций плотности вещества! Отсюда вывод – для развития структур в расширяющейся Вселенной уровня статистических флуктуаций недостаточно, а следовательно, в первичной космической плазме должны существовать малые неравновесные флуктуации, уровень которых, однако, превышает естественный равновесный фон на десятки порядков! Напомним, что это – 1946 год. До открытия реликтового излучения ещё нужно подождать почти двадцать лет, а до экспериментального обнаружения этих флуктуаций – почти все 50!. Сразу же выделим две проблемы, вытекающие из анализа гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной:
– какова́ должна быть природа неравновесных флуктуаций и каковы физические механизмы генерации, хотя и слабой в абсолютном измерении, но гигантской, по сравнению со статистическими шума́ми, начальной неоднородности Вселенной?
– каким образом можно проверить гипотезу о существовании именно такой догалактической иррегулярности в распределении вещества?

Отправной точкой для ответа на второй вопрос послужит уже упомянутое выше предсказание теории расширяющейся Вселенной о том, что от эпохи рекомбинации водорода и вплоть до настоящего момента времени реликтовое излучение распространяется в пространстве свободно, без какого то ни было прямого взаимодействия с веществом. Однако, при наличии слабой (на уровне тысячных до́лей процента) неоднородности в распределении вещества, этот процесс "окрашен" двумя важными дополнениями. Прежде всего, догалактические неоднородности плотности в эпоху рекомбинации водорода движутся относительно реликтового излучения с хаотическими скоростями. Как следствие, отделение плазмы от излучения в эпоху рекомбинации происходит чуть-чуть по-разному в различных точках пространства в силу влияния поля флуктуаций. Там где плотность вещества немного выше средней, выше и хаотические скорости движения плазмы. Кванты излучения, испытывая "последнее рассеяние" на электронах в зоне неоднородности, приобретают дополнительный импульс (а, следовательно, и энергию).

Таким образом, для разных направлений на небе, соответствующих флуктуациям интенсивности реликтового излучения на поверхности последнего рассеяния, должны возникать вариации уровня сигнала. Их величину принято называть уровнем угловой анизотропии реликтового излучения. Эта анизотропия "замораживается" в спектре излучения в эпоху рекомбинации водорода и сохраняется вплоть до настоящего момента времени, а механизм ее генерации, обусловленный рассеянием квантов на движущемся веществе, кратко называют До́плер-эффектом.

Гравитационное смещение частоты́ квантов

Помимо анизотропии, формируемой неоднородностями поверхности последнего рассеяния, существенную роль в формировании картины распределения интенсивности реликтового излучения на небе играет гравитационное смещение частоты́ квантов в процессе их распространения от эпохи рекомбинации водорода к наблюдателю.

Проходя через зоны повышенной и пониженной плотности, которым соответствуют неоднородности гравитационного потенциала, кванты излучения испытывают "синее смещение", при входе в зону повышенной плотности, и – "красное смещение" – при выходе. Влияние До́плер-эффекта и гравитационного смещения разделены естественным образом. Первый существенен в масштабах L<200 Мпс, (соответствующий угловой диапазон q <1° ), второй при L>200 Мпс (q >1°). Таким образом, масштабы, соответствующие наблюдаемой в настоящее время крупномасштабной структуре в распределении вещества, формируют анизотропию реликтового излучения на малых углах под воздействием рассеяния квантов на движущемся веществе. В угловых масштабах больше 1° ( и L>200 Мпс) неоднородности во Вселенной еще не успели сформировать какую бы то ни было структуру - необходимо "подождать" определённый промежуток времени, превышающий современный возраст Вселенной в десятки раз, чтобы и в этих масштабах возникли новые формы самоорганизации вещества.

Задача описания характеристики угловой анизотропии реликтового излучения на небесной сфере раздваивается: - теоретики анализируют различные варианты поведения спектра анизотропии, с учетом деталей процесса переноса квантов в слабо неоднородной Вселенной, типа догалактических флуктуаций, динамики рекомбинации водорода и т.п. Экспериментаторы, в свою очередь, пытаются измерить анизотропию температуры реликтового излучения на небесной сфере и подтвердить, либо опровергнуть предсказания теории.

Обнаружение анизотропии

На протяжении почти тридцати лет это своеобразное соревнование с неизменным успехом выигрывали теоретики - предсказываемый уровень анизотропии оказывался существенно ниже порога чувствительности радиотелескопов. Нужно заметить, однако, что такое отставание возможностей эксперимента от предсказаний теории не доставляло удовлетворения ни той, ни другой "командам". Ведь чем больше разрыв между теорией и экспериментом, тем дальше мы находимся от создания реалистической теории строения и эволюции Вселенной. На протяжении почти тридцати лет эксперимент давал лишь верхние ограничения на уровень анизотропии, однако по-прежнему оставался без ответа вопрос - есть ли она вообще? Отдавая дань истории, нельзя не упомянуть выдающегося вклада в развитие экспериментальных исследований анизотропии реликтового излучения советских радиоастроно́мов, и прежде всего – групп Юрия Николаевича Парийского (РАТА́Н-600), а также И.Н.Струкова (ИКИ). Вплоть до 1985 года эти две группы задавали тон в исследованиях реликтового излучения, реализовав проекты "Холод" на крупнейшем наземном телескопе РАТА́Н-600 и проект "Реликт" на спутнике серии "Прогноз". К сожалению, как в первом, так и втором проектах достигнутый уровень чувствительности оказался примерно в 2-3 раза ниже, чем требуемый для регистрации сигнала. Однако опыт борьбы с шума́ми и дискретными источниками помех космического происхождения оказался весьма важен для последующий наземных и спутниковых экспериментов. С 1992 года, после запуска американского спутника СОВЕ, о котором уже шла речь несколько раньше, ситуация в экспериментальной радиоастрономии изменилась радикальным образом. Установленный на СОВЕ радиометр ДМР обнаружил анизотропию реликтового излучения в угловых масштабах q >7°. Четырёхлетняя программа наблюдений закончилась полным успехом – была построена детальная карта распределения анизотропии реликтового излучения на небесной сфере. По этим картам был рассчитан спектр анизотропии, который прекрасно согласовывался с теоретическими предсказаниями. Практически в это же время были успешно завершены́ измерения спектра анизотропии и в диапазоне До́плеровского пика, выполненные независимо более, чем десятью группами. Какой же главный вывод следует из сравнения предсказаний теории и эксперимента? Прежде всего, мы получили надежное подтверждение справедливости представлений о динамике космической плазмы в расширяющейся Вселенной и существовании неравновесных начальных флуктуаций, гравитационная неустойчивость которых привела к формированию галактик и скоплений галактик. Кроме того, мы удостоверились, что физические законы, открытые в земных условиях, прекрасно работают и в космических масштабах – вывод, значимость которого, может быть, даже более высока, чем решение локальных проблем астрофизики. Наконец, мы получили возможность заглянуть в самое сердце термоядерного котла ранней Вселенной, имея количественные характеристики неравновесных флуктуаций (амплитуду и спектр), а, следовательно, и ограничения на физические процессы, приводящие к появлению этих флуктуаций. Фактически, анизотропия реликтового излучения перебросила своеобразный мостик между микро- и макрофизикой, стимулируя развитие новых направлений физики частиц высоких энергий и высокотемпературной плазмы.