Почему ночью небо темное? (Фоновые излучения и строение Вселенной)
2.03.1997 16:46 | В.М. Чаругин/Вселенная и Мы

Одним из основных источников информации об окружающей нас Вселенной является электромагнитное излучение. При наблюдениях в оптическом и радиодиапазонах астрономы используют обычные телескопы и антенны с радиоприемниками. В инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах используются методы внеатмосферной астрономии, применение которых требует выноса телескопов за пределы земной атмосферы, поглощающей и отражающей эти виды излучений. Во всех диапазонах электромагнитного спектра наблюдаются изолированные (дискретные) источники излучения, такие как Солнце, звезды, галактики, квазары. В самые мощные оптические телескопы видны объекты, находящиеся на расстоянии до 8 миллиардов световых лет. Получаемая от них информация говорит не только об их физической природе, но и о физических условиях, имевших место во Вселенной миллиарды лет тому назад.

Наряду с наиболее яркими дискретными источниками наблюдается большое количество слабых, далеких, во многих случаях практически неразрешенных источников. Их излучение называют фоновым внегалактическим излучением. Исследование этого фонового излучения неразрешенных внегалактических источников позволяет глубже заглянуть в прошлое Вселенной.

Наряду с фоновым излучением, за которое ответственны далекие дискретные источники, наблюдения показывают существование внегалактического фонового излучения, не связанного с излучением известных типов космических источников. Оно приходится на микроволновый диапазон длин волн от 60 см до 0.6 мм (диапазон частот от 500 МГц до 500 ГГц) и отличается равновесным спектром, описываемым формулой Планка с температурой 2.7 К. Это излучение связывают со свойствами Вселенной в целом. Оно характеризует горячее состояние вещества во Вселенной на ранних этапах ее эволюции, задолго до моментов образования дискретных источников. Известный советский астроном И. С. Шкловский предложил называть это микроволновое фоновое излучение реликтовым. Оно позволяет исследовать физические условия Вселенной на ранних стадиях ее эволюции, когда не существовало ни галактик, ни квазаров, ни других дискретных источников. На рис. 1 представлены наблюдаемые спектры реликтового и фоновых излучений во всем доступном наблюдениям диапазоне длин волн.

Общие сведения о структуре и эволюции Вселенной

Интерес к фоновому излучению возник более двух с половиной столетий тому назад. Именно в то время получило бурное развитие телескопостроение и повысился интерес к астрономическим исследованиям. Наиболее простая модель Вселенной, которая получалась на основе наблюдений того времени, соответствовала модели статической бесконечной Вселенной, более или менее однородно заполненной звездами. Статичность Вселенной следовала из постоянства положений звезд относительно друг друга. Предположение о бесконечности Вселенной основывалось скорее на философских соображениях о бесконечности и неисчерпаемости окружающего мира. Кроме того, согласно закону Всемирного тяготения, вещество в конечной Вселенной рано или поздно должно собраться в компактное скопление, чего явно не наблюдается. Но предположение о том, что наблюдаемая статичная Вселенная бесконечна, вызывало странный и на первый взгляд простой вопрос: почему ночью небо темное?

Вплоть до ХХ века на этот, казалось бы, тривиальный вопрос не было получено удовлетворительного ответа. Действительно, представьте себя в лесу, пусть даже не в дремучем, но в достаточно большом. Предположим, что это березовый лес из белых гладкоствольных деревьев. Тогда в каком бы направлении мы ни посмотрели, в конце концов луч зрения наткнется на ствол какого-нибудь дерева. Казалось бы, что лес стоит сплошной белой стеной. А теперь представим себе бесконечную статическую Вселенную, в которой звезды и галактики находятся в постоянном (статическом) положении друг к другу. Луч зрения земного наблюдателя в любом направлении в конце концов наткнется на поверхность звезды, поэтому вся небесная сфера должна перекрываться звездными дисками. На рис. 2 справа схематично показан участок неба, который видел бы наблюдатель. Круги разных диаметров - диски звезд. Яркость не зависит от расстояния: она определяется только свойствами излучающей поверхности. Поэтому во всех направлениях небо должно быть таким же ярким, как каждая звезда. Поскольку Солнце - типичная звезда, то все небо должно быть ночью и днем таким же ярким, как Солнце. В этом и состоит фотометрический парадокс Ольберса, названный так в честь немецкого астронома XVIII века Генриха Ольберса, который первым четко сформулировал его. Несмотря на то, что этот парадокс был выведен для фонового излучения звезд в видимом свете, он характерен и для других диапазонов длин волн. Наличие парадокса обнаружило несовершенство гипотезы о статической бесконечной Вселенной.

Из сказанного ясно, что уже сравнительно простой анализ свойств фонового излучения звезд (просто из видимой яркости ночного неба)¹ приводит нас к далеко идущим выводам относительно структуры всей Вселенной. Наблюдения фонового излучения подводят нас к таким фундаментальным понятиям, как конечность или бесконечность Вселенной, ее статичность или нестационарность. По-видимому, справедливо и обратное: наблюдения каких-либо фундаментальных свойств Вселенной позволяют делать суждения о фоновых излучениях.

Парадокс Ольберса, или фотометрический парадокс, был разгадан благодаря открытию, сделанному в 20-х годах нашего столетия американским астрономом Э. Хабблом, которое привело к представлению о том, что Вселенная не статична, а однородно расширяется. Исходя из измерений расстояний до ближайших галактик, Хаббл установил, что все галактики удаляются от нас, и скорость удаления V пропорциональна расстоянию r до галактики (V = H₀ r). Этот закон назван законом Хаббла, где H₀ - постоянная Хаббла:

Таким образом, представление о статической картине Вселенной, где все объекты как бы застыли на своих местах, сменило представление картины Вселенной, объекты которой друг от друга разбегаются, и расстояния между ними непрерывно увеличиваются.

Скорость разбегания сильно влияет на свет, идущий от галактики к Земле. Действительно, каждый последующий фотон (квант света), излучаемый звездой в галактике, должен дольше двигаться к Земле, чем квант, испущенный в предыдущий момент времени. Так что за один и тот же момент времени наблюдатель на Земле воспримет меньшее число квантов, чем в случае, если бы галактика все время находилась на одном месте (случай статической Вселенной). Кроме эффекта уменьшения числа квантов, приходящих на Землю в единицу времени, излучаемые кванты уменьшают свою частоту (увеличивают длину волны) из-за эффекта Доплера.

Вместе оба эффекта ослабляют свет звезд далеких галактик. Это ослабление становится особенно сильным, когда скорость удаления галактик близка к скорости света. Тогда в пределе энергия (частота) воспринимаемых на Земле квантов стремится к нулю, а время их прибытия - к бесконечности.

Согласно закону Хаббла, галактики, находящиеся на расстоянии

²

удаляются от нас со скоростью, равной скорости света, поэтому их излучение ослаблено до нуля, а излучение более далеких галактик до нас не доходит вообще. Т.е. для нас Вселенная - конечна, она ограничена радиусом в 20 млрд. световых лет. Поэтому небо не столь яркое, как Солнце. Величину R иногда называют радиусом видимой части Вселенной, или радиусом Метагалактики.

Ко времени открытия Хабблом разбегания галактик А. Эйнштейн разработал релятивистскую теорию тяготения - общую теорию относительности. Основываясь на этой теории, советский ученый А. Фридман построил модель однородной и изотропной Вселенной, в рамках которой разбегание галактик объясняется расширением (нестационарностью) Вселенной как целой, где геометрические свойства пространства и времени определяются распределением и движением вещества.

Фоновое излучение в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах

Яркость неба или фоновое излучение в рассматриваемых диапазонах длин волн определяется суммарным излучением всех небесных тел, заполняющих пространство с радиусом, равным радиусу видимой Вселенной. В каждом из этих диапазонов фоновое излучение дает разную информацию о Вселенной и ее истории.

Космическое фоновое радиоизлучение наблюдается на частотах от 1 до 500 МГц, что соответствует длинам волн от 300 м до 60 см (см. рис. 1). Небо в этом диапазоне, особенно на метровых волнах, очень яркое, но распределение радиояркости по небу крайне анизотропно и концентрируется к галактической плоскости (плоскости Млечного Пути). Так как внегалактическое фоновое радиоизлучение должно обладать изотропными свойствами, то поиски и обнаружение фонового излучения связаны с выделением изотропной компоненты из общего анизотропного фонового излучения.

В общем фоновом излучении наблюдается явная концентрация радиоизлучения к плоскости Галактики, что указывает на связь анизотропного компонента с излучением Галактики. Радиоизлучение Галактики достаточно хорошо изучено, и его природа нашла свое теоретическое объяснение. Оказывается, за радиоизлучение нашей Галактики в основном ответственны релятивистские электроны, входящие в состав галактических космических лучей. Двигаясь в магнитном поле Галактики, эти электроны излучают синхротронное радиоизлучение. Анализ энергетического спектра релятивистских электронов позволяет теоретически рассчитать спектр синхротронного радиоизлучения Галактики, сравнить его с наблюдаемым и тем самым выделить фоновую внегалактическую компоненту радиоизлучения. Несмотря на это экспериментальное выделение радиофона связано с большими трудностями.

На существование в этом диапазоне внегалактической компоненты радиоизлучения указывают и прямые наблюдения, которые позволяют независимо от теоретических предположений оценить фон. Примером могут служить измерения радиояркости неба на частоте 20 МГц в направлении на туманность Большое Магелланово Облако - одну из двух карликовых галактик, являющихся спутниками нашей Галактики. Внутри нее находится облако ионизованного газа, которое эффективно поглощает радиоизлучение на частоте 20 МГц. Облако занесено в каталог под названием туманность 30 Золотой Рыбки (по названию созвездия, где оно находится). Сравнение яркости неба в туманности и ее окрестностях показало, что величина яркости уменьшается в направлении облака, т.е. вне его должно существовать излучение, которое имеет внегалактическую природу. Проходя через облако, излучение поглощается им, и яркость неба в направлении облака становится меньше по сравнению с соседними участками. Практически в облаке поглощается все внегалактическое радиоизлучение. Так как галактическое радиоизлучение не проходит через облако, то наблюдаемая яркость радионеба в направлении облака дает значение интенсивности галактического радиоизлучения. Такой метод позволяет оценить сразу и фоновое радиоизлучение, и радиоизлучение нашей Галактики.

Существуют и другие методы измерений фонового радиоизлучения, в результате которых показано, что яркость фонового радиоизлучения падает с ростом частоты, т. е. количество энергии, заключенной в фоновом радиоизлучении, на коротких длинах волн меньше, чем на длинных (см. рис. 1).

Природа радиофона в настоящее время понята достаточно хорошо. Радиофон объясняется излучением всех радиоисточников во Вселенной, и поэтому здесь имеет место такая же ситуация, как и при анализе парадокса Ольберса.

Источниками, обуславливающими фоновое излучение, в первую очередь являются радиогалактики и квазары. Обычные галактики вроде нашего Млечного Пути, хотя и являются наиболее многочисленными объектами во Вселенной, настолько ничтожно излучают в радиодиапазоне, что дают малый вклад в фоновое радиоизлучение. Радиогалактики и квазары - самые мощные и активные из всех источников - имеют нетепловой спектр такого же типа, как и у радиофона. Используя радиокарты неба, полученные с помощью самых крупных радиотелескопов, можно подсчитать число таких радиоисточников, а также оценить число слабых источников, которые не способен разрешить радиотелескоп и которые видны в виде флюктуаций радиояркости в малых угловых масштабах. Суммирование радиоизлучения всех этих источников оказывается достаточным, чтобы объяснить радиофон.

Анализ свойств фонового радиоизлучения позволяет сразу изучить намного больше источников, чем это можно было бы сделать, исследуя отдельные объекты. Результаты прямых подсчетов дискретных радиоисточников подтверждают, что в недавнем прошлом во Вселенной было в сотни раз больше сильных радиоисточников, таких как квазары и радиогалактики, чем их наблюдается сейчас.

Этот вывод указывает на несостоятельность не только модели статической Вселенной (мы говорили о ней в начале в связи с фотометрическим парадоксом), но и так называемой стационарной модели Вселенной, согласно которой существует непрерывное "творение" вещества без изменения основных характеристик Вселенной. Таким образом, из анализа радиофона следует, что в прошлом было больше радиоисточников, чем сейчас, и Вселенная на современную не была похожа.

В гамма- и рентгеновском диапазонах фоновое излучение измерено на частотах свыше (на длинах волн короче 13A). Измерения в этих диапазонах стали возможны благодаря использованию ракетно-космической техники, которая позволяет вынести приемники гамма- и рентгеновского излучения за пределы земной атмосферы. Земная атмосфера поглощает все рентгеновское и гамма-излучение, идущее из космоса.

Впервые диффузный рентгеновский фон был зарегистрирован в 1962 году одновременно с обнаружением первого из дискретных источников космического рентгеновского излучения - Скорпион Х-1. Дальнейшие наблюдения подтвердили высокую степень изотропии рентгеновского фонового излучения, что подтверждает его внегалактическую природу. Детальный анализ наблюдений с высокой чувствительностью и угловым разрешением показал, что число источников увеличивается с уменьшением величины потока их рентгеновского излучения. Это обстоятельство позволяет сделать предположение о том, что с уменьшением потока число источников сильно возрастает, и в конце концов они все сольются в сплошной рентгеновский фон. Таким образом, становится очевидной интерпретация диффузного рентгеновского фона Вселенной как суммарного излучения удаленных дискретных источников.

Зная объем видимой Вселенной и плотность различных дискретных источников рентгеновского излучения, можно теоретически оценить интенсивность фонового рентгеновского излучения.

Известные рентгеновские источники, которые отождествлены с оптическими и радио-объектами - квазарами, активными галактиками и обычными галактиками - объясняют около 25% наблюдаемого рентгеновского фона. Наряду с известными источниками наблюдаются внегалактические объекты, которые не удалось отождествить с известными радио- и оптическими объектами. Возможно, они представляют новый класс внегалактических рентгеновских источников. Этими источниками удалось объяснить еще 25% яркости фона.

Таким образом, отождествленными объектами и возможным новым классом внегалактических рентгеновских источников в совокупности объясняется около 50% яркости рентгеновского фонового излучения. А как быть с оставшимися 50%?

Здесь дополнительную информацию дает исследование мелкомасштабных флуктуаций яркости рентгеновского фонового излучения. Чтобы согласовать наблюдаемую яркость и флуктуации рентгеновского фона Вселенной, необходимо предположить существование нового, пока еще не известного класса внегалактических источников, удаленных от нас на очень большие расстояния. В этом случае число таких источников в наблюдаемой Вселенной должно быть около 3 миллионов, а мощность их рентгеновского излучения сравнимой с мощностью рентгеновского излучения радио- и сейфертовских галактик. Напомним, что обычных галактик в наблюдаемой Вселенной около 30 миллиардов, радиогалактик - 30 миллионов, сейфертовских галактик - около 300 миллионов.

Анализ вклада известных источников рентгеновского излучения в фоновое излучение не учитывал их эволюции в прошлом. Мы уже видели, что эволюцией источников объясняется ряд свойств фонового радиоизлучения. Оказывается, чтобы полностью объяснить диффузный рентгеновский фон суммарным излучением отдельных источников, достаточно увеличить в прошлом средние мощности рентгеновского излучения радиогалактик, квазаров и сейфертовских галактик и скоплений галактик (примерно в 10-100 раз) и незначительно увеличить в прошлом их количество. В этом смысле гипотетическими источниками, которые объясняют оставшиеся необъясненными 50% яркости рентгеновского фона, являются, видимо, либо компактные скопления галактик, содержащие всего около десятка галактик и имевшие в прошлом большие рентгеновские светимости, либо особый класс существовавших тогда активных галактик.

Интенсивность фонового потока гамма-лучей (частоты свыше Гц или энергии квантов свыше 0.5 Мэв) можно представить как сумму степенного спектра, являющегося продолжением спектра рентгеновского диапазона и непрерывного излучения с максимумом в области квантов с энергией 1-10 Мэв, что указывает на наличие дополнительных гамма-квантов. В принципе, интерпретация фонового гамма-фона та же, что и рентгеновского.

Интересно отметить, что в свое время обсуждалась идея о том, что гамма-фон возникает при аннигиляции вещества и антивещества во Вселенной. Авторы этой гипотезы исходили из того, что количество вещества и антивещества во Вселенной в среднем должно быть одинаковым, области с веществом должны быть перемешаны с областями из антивещества. На границах этих областей и происходит аннигиляция, которая порождает мощный поток гамма-квантов. Более того, в прошлом, когда плотность во Вселенной была выше, процесс аннигиляции был более высоким и максимум аннигиляционного гамма-излучения как раз должен приходиться на диапазон энергий гамма-квантов 1-100 Мэв, что, как видим, и наблюдается. Расчеты позволяют оценить концентрацию вещества и антивещества, которая способна объяснить наблюдаемую яркость гамма- фона. Для этого необходима концентрация вещества и антивещества около атомов в см³, что примерно в 10 млн. раз меньше наблюдаемой.

Еще один интересный вывод получается из анализа рентгеновского и гамма фона. Это ограничение на количество реликтовых черных дыр с массами в несколько миллиардов тонн и размерами с электрон. Существование таких мини черных дыр на ранних этапах расширения Вселенной предсказывается современной космологией. Расчеты показывают, что благодаря квантовым эффектам такие черные дыры должны эффективно испаряться в настоящее время, испуская гамма-кванты. Чтобы гамма-излучение от них не превышало наблюдаемого фонового гамма-излучения необходимо, чтобы их концентрация была не слишком большой, соответствующей нескольким таким черным дырам в Солнечной системе. На основе этого вывода предлагаются эксперименты по их обнаружению и доставке в окрестности Земли.

Реликтовое излучение

Существование реликтового излучения теоретически было предсказано нашим соотечественником известным астрофизиком Георгием Гамовым. Он это сделал в конце 40-х годов на основании анализа наблюдаемого содержания гелия во Вселенной, используя фридмановскую модель расширяющейся Вселенной.³

Г. А.Гамов показал, что ядерные реакции в звездах могут объяснить небольшую часть наблюдаемого гелия. Поэтому основная его масса должна была образоваться на самых ранних этапах расширения плотной и горячей Вселенной. Высокая температура необходима для протекания ядерных реакций синтеза гелия из водорода. Следствием этой "горячей" модели Вселенной и было предсказание излучения со специфическим равновесным планковским распределением по частотам, которое к настоящему времени остыло до температуры около 5 К.

Само реликтовое излучение с температурой 2.7 К было обнаружено случайно в 1964 году в сантиметровом диапазоне длин волн американскими учеными А. Пензиасом и Р. Вильсоном.

Обнаружение реликтового излучения явилось замечательным подтверждением модели горячей Вселенной.

В рамках идеализированной картины изотропно (т. е. одинаково по всем направлениям) расширяющейся Вселенной распределение реликтового излучения по небу должно быть весьма однородным. Правда, не исключено, что в некоторых направлениях Вселенная расширяется быстрее, в других - медленнее. Измерение постоянной Хаббла в различных направлениях позволило подтвердить изотропию расширения с точностью 20%. Хотя и с плохой точностью, но полученный результат характеризует изотропию расширения Вселенной, начиная с момента лет, когда во Вселенной появились галактики, и до наших дней.

Наиболее точными и информативными оказались измерения распределения температуры реликтового излучения по небу. В направлении быстрого расширения Вселенной температура реликтового излучения должна быть ниже, чем в направлении медленного расширения. Информация, заключенная в анизотропии, позволяет судить об анизотропии расширения Вселенной с момента около лет от начала расширения. Наиболее точные измерения анизотропии реликтового излучения были проведены в нашей стране с борта искусственного спутника Земли "Прогноз-9" в эксперименте "Реликт" и на американском ИСЗ "СОВЕ" (Cosmic Background Explorer), когда исследовались отклонения температуры реликтового излучения в различных направлениях от среднего значения 2.7К. По данным ИСЗ "СОВЕ" такие отклонения наблюдаются, но в угловых масштабах в десятки градусов они составляют всего около К. Таким образом, с точностью около 0.0007% Вселенная расширяется изотропно.

Высокая степень изотропии расширения Вселенной, полученная из этих наблюдений, требует своего объяснения. Естественно, возникает вопрос, каким образом две наблюдаемые в противоположных направлениях области Вселенной показывают столь самосогласованное (и поэтому причинно связанное) расширение? О том, что области никак не связаны, говорит тот факт, что если каждая из них удалена от нас примерно на 15 млрд. световых лет, то расстояние между ними составляет 30 млрд. световых лет, и за время жизни Вселенной (около 20 млрд. лет) они никак не могли успеть провзаимодействовать между собой и "согласовать" свои свойства. Этот факт заставляет астрономов улучшать модель горячей Вселенной, разрабатывая модель так называемой инфляционной на ранних стадиях расширяющейся Вселенной.

По современным представлениям Вселенная никогда не была полностью однородной. Даже на самых ранних стадиях должны были существовать небольшие неоднородности (флуктуации) плотности, излучения и скоростей движения вещества. Наличие таких флуктуаций могло бы объяснить формирование галактик и их скоплений в прошлом и проявляться в искажениях реликтового излучения - отклонениях от изотропии распределения температуры реликтового излучения в различных угловых масштабах и отклонениях от планковского характера спектрального распределения излучения.

Современные теории образования галактик указывают на то, что начиная с лет от момента начала расширения Вселенной, искажения, вносимые неоднородностями, из которых в дальнейшем могут возникнуть галактики, "запоминаются" и должны проявиться в виде заметных флуктуаций яркости реликтового излучения в масштабах . Наблюдения показали, что в масштабах от угловых минут до нескольких градусов такие флуктуации реликтового излучения отсутствуют с точностью, превышающей 0.01%. В современных теориях образования галактик этот факт вызывает наибольшие трудности.

Одна из возможностей избежать трудности - развитие теории, согласно которой вначале из мелкомасштабных неоднородностей возникали шаровые скопления звезд и карликовые галактики, затем они объединялись, образуя гигантские галактики. В такой схеме отпадает необходимость существования крупномасштабных флуктуаций - их либо не было, либо они были настолько малы, что не отразились на реликтовом излучении. Данная теория не исключает, однако, наличия мелкомасштабных флуктуаций яркости реликтового излучения, например, в угловых масштабах меньше минуты дуги. Но обнаружение таких мелкомасштабных флуктуаций реликтового излучения на фоне излучения большого числа дискретных источников, таких как квазары и далекие галактики, представляется пока трудной задачей.

В заключение хотелось бы отметить, что точность современных измерений позволяет определить даже скорость движения Земли вокруг Солнца по отношению к реликтовому излучению.

Согласно модели горячей Вселенной, реликтовое излучение изотропно в сопутствующей системе отсчета, связанной со средними характеристиками движения и распределения всей материи во Вселенной. Вследствие эффекта Доплера движение Земли по отношению к этой системе должно приводить к анизотропии распределения реликтового излучения. В направлении движения фотоны реликтового излучения должны иметь меньшую длину волны, в противоположном - большую. Температура реликтового излучения в направлении движения выше, чем в противоположном. Так, наблюдения показали, что в направлении созвездия Льва в точке с прямым восхождением и склонением температура реликтового излучения оказалась на К выше, чем в противоположном (в созвездии Водолея). Следовательно, Солнце вместе с Землей движется относительно реликтового излучения со скоростью около 400 км/с в направлении созвездия Льва. Учитывая скорость движения Солнца вокруг центра Галактики, легко найти скорость движения Галактики по отношению к реликтовому излучению, которая оказалась около 600 км/с. Точность этих измерений такова, что заметна даже суточная вариация распределения реликтового излучения, обусловленная движением Земли вокруг Солнца, происходящим со скоростью 30 км/с.

1 - Основная доля (примерно 70%) яркости ночного неба обусловливается излучением верхней атмосферы Земли (прим. ред)
2 - Единицы измерения в астрономии: 1 парсек (пк) = 3 10¹³ км; 1 мегапарсек (мпк) = 10⁶ пк; 1 световой год - путь, проходимый светом за 1 год; 1 св. год = 9 10¹² км. Радиус видимой части Вселенной R=1,8 10²⁴ км
3 - Подробнее об этом см. Вселенная и мы; 2, стр. 50-51