Взгляд в прошлое Вселенной

Автор: 
И.А. Струков, Р.С. Кремнев, А.И. Смирнов
Источник: 

Революция в космологии продолжается. Открываются новые явления, существенно меняющие наши представления о мироздании. Во Вселенной обнаружены чудовищно большие по размеру образования: пустоты, «стенки», «блины». Отмечены крупномасштабные движения - сверхскопления галактик притягиваются центром (великим аттрактором). Объяснить динамику этих перемещений скоплений и сверхскоплений традиционной причиной — гравитационным притяжением видимого обычного вещества — оказалось невозможно: слишком мало вещества содержится в столь гигантских объединениях небесных тел, межзвездных пыли и газе. Поэтому невольно приходит мысль о наличии в таких областях какой-то неведомой материи.

Спутник "Прогноз-9" с аппаратурой "Реликт-1".

Что может быть ее носителем? Остатки сверхновых звезд или черных дыр? А что если это быстродвижущиеся частицы — нейтрино или какое-то неизвестное нам холодное, а потому невидимое вещество? А ведь ответ на этот вопрос определяет путь, по которому развивалась и продолжает развиваться Вселенная…

Если это нейтрино с отличной от нуля массой покоя, то, очевидно, сначала образовывались крупные скопления галактик, распадавшиеся затем на составные части. Холодное темное вещество, напротив, обусловливало эволюцию, начинающуюся с рождения малых объектов, впоследствии объединившихся в крупные образования. Но как было на самом деле? Как заглянуть в столь далекое прошлое?

Образ совсем юной Вселенной впервые забрезжил перед учеными после обнаружения в 1965 г. американцами А.А. Пензиасом и Р.В. Вилсоном приходящего из космоса слабого радиоизлучения. Его интенсивность всегда оставалась одной и той же независимо от направления принимающей антенны. Это открытие подтвердило справедливость модели «горячей» Вселенной американского физика-теоретика Г.А. Гамова (1904–1968), который опирался на замеченное в 1929 г. Э.П. Хабблом (1889–1953) и продолжающееся в настоящее время разбегание галактик. Так рождалась современная экспериментальная космология.

Факт расширения Вселенной, а также наблюдаемое соотношение в ней водорода и гелия, совпадающее с предсказываемым теорией для первых мгновений жизни нашего мира, привели Г.А. Гамова к фундаментальному выводу: все началось с "большого взрыва" объекта с нулевыми размерами и бесконечно высокой температурой.

Образовавшиеся при этом излучение и вещество расширялись и охлаждались, находясь в равновесном состоянии, имея одинаковую температуру и взаимно превращаясь одно в другое. Через секунду после взрыва температура упала до 10 000°С. В то время Вселенная в основном состояла из фотонов, электронов, нейтрино, их античастиц и небольшого количества протонов и нейтронов.

Аппаратура "Реликт-2" во время испытаний (c) ИКИ РАН

По мере понижения температуры почти все существовавшие к тому времени пары электронов и антиэлектронов взаимно уничтожились, или, иначе говоря, аннигилировали, образовав фотоны и оставив очень небольшое количество избыточных электронов. По-иному могла сложиться судьба нейтрино и антинейтрино. Эти частицы слабо взаимодействуют и способны дожить до наших дней, заметно влияя на развитие Вселенной.

При температуре около миллиарда градусов энергии протонов и нейтронов становится недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они начинают "сливаться", образуя ядра тяжелого водорода.

Последние же, объединяясь со свободными протонами и нейтронами, в свою очередь "рождают" ядра гелия, а также небольшое количество лития и бериллия.

В зависимости от плотности получившегося вещества процесс расширения Вселенной будет продолжаться неограниченно долго, либо прекратится или даже сменится сжатием. Эти две возможности разделяются критическим значением плотности вещества, которая составляет приблизительно 2х10-29 г/см3. Если плотность вещества больше критической, преобладает гравитационное притяжение, и Вселенная со временем прекратит расширяться и начнет сжиматься. В противном случае процесс расширения будет продолжаться бесконечно. Заметим, что наблюдаемая плотность материи составляет всего лишь несколько процентов критической.

Радиояркостная карта

Как уже говорилось, распределение видимого вещества по небесной сфере далеко от однородного. Галактики группируются в громадные слоистые и волокнистые структуры. Они имеют размеры около 100 млн световых лет, а масса их составляет 1015-1016 масс Солнца. Между этими образованиями находятся области размерами от 100 до 400 млн световых лет, практически лишенные галактик.

Конечно, возникновению этой неоднородности Вселенной в масштабах галактик и их скоплений предшествовало появление намного раньше рассеянных по всему пространству небольших сжатий или разрежений вещества и энергии. Области с повышенной плотностью, обусловившие впоследствии современную структуру Вселенной, должны были запечатлеться в дошедшем до нас остывшем излучении "большого взрыва".

Дело в том, что по общепринятой в прошлом барионной модели "горячей" Вселенной она в своем развитии проходила различные стадии, в том числе и радиационную, когда излучение было доминирующей составляющей. Предполагалось, что вещество состоит из частиц (существование их было твердо установлено) - барионов, электронов, фотонов, нейтрино, причем масса последнего принималась равной нулю. В эту эпоху высокое давление излучения предотвращало гравитационное сжатие, а потому сколько-нибудь заметных локальных увеличений плотности вещества появиться не могло. Кроме того, из-за сильного взаимодействия вещества и излучения Вселенная в тот момент была мутной, непрозрачной, а потому и ненаблюдаемой в диапазоне электромагнитных волн. Ее просветление наступило через миллион лет после "взрыва" вследствие рекомбинации водорода.

Связанные электроны значительно слабее рассеивают фотоны, вот почему на этом этапе взаимодействие вещества с излучением прекратилось, и излучение продолжало остывать и расширяться уже независимо. К настоящему времени его температура опустилась до 2,74 К. В тех местах, где плотность вещества хотя бы на ничтожную долю превышала среднюю, температура излучения также была чуть-чуть выше. Таким образом, вариации плотности вещества в ту эпоху должны были  надежно запечатлеться в различиях яркостной температуры фонового излучения. Следовательно, изучив эти различия на небесной сфере, мы можем заглянуть в далекое прошлое Вселенной и заметить первоначальные возмущения в распределении вещества, последующий рост которых привел сначала к образованию галактик, а затем - их скоплений и сверхскоплений. Те же данные, возможно, подскажут и тип носителя скрытой массы, от чего зависит, как и в каком направлении развивается Вселенная.

Однако все попытки найти хоть какие-то различия в температуре реликтового излучения пока оказываются безуспешными. А так как без этого объяснить нынешнюю структуру Вселенной в рамках старой модели невозможно, космологам пришлось перейти к новой, наиболее признанной сейчас модели бурно "раздувающейся Вселенной".

Столь стремительное расширение делает пространство "плоским", наподобие того, как при раздувании маленького шарика до размеров Земли большие участки его поверхности могут показаться абсолютно ровными. При этом важно отметить: такое "плоское" пространство соответствует Вселенной с критической плотностью вещества. А поскольку плотность видимого вещества гораздо меньше критической, то, выходит, в окружающем нас мире имеется некая ненаблюдаемая "скрытая масса". Составляют ее различные частицы, и от их типа зависят не только масштабы первичных сгущений вещества, но и пути эволюции Вселенной в целом.

Измеряя распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере и сравнивая полученные результаты с теоретическими предсказаниями, можно будет объективно оценить предлагаемые космологические модели и, в частности, ту, которая связывает крупномасштабную пространственную структуру реликтового излучения с изменениями гравитационного поля.

Теория гласит: в момент 10-36 с от начала "большого взрыва" при температурах порядка 1016 ГэВ зарождались электромагнитное поле и гравитационные волны. Экспериментировать с такими большими энергиями мы пока не умеем: для получения их пришлось бы создать линейный ускоритель размером с Солнечную систему. Единственная возможность изучать интересующие нас физические процессы связана сейчас с наблюдением колебаний плотности и гравитационных волн; их же, в свою очередь, проще всего исследовать опять же по распределению температуры реликтового излучения. Это позволит также установить законы, ведающие поведением материи при сверхвысоких энергиях; найти связи между физикой элементарных частиц и космологией; понять процессы, управляющие веществом в сверхмалых и сверхбольших масштабах.

Итак, исследование реликтового фона - один из самых фундаментальных экспериментов в современной физике.

Впервые такие измерения были начаты с Земли Д.Т. Вилкинсоном и группами американских и итальянских ученых сразу же после открытия фонового излучения. Им пришлось преодолевать помехи, создаваемые воздушной оболочкой планеты, которая поглощала и переизлучала космические радиоволны. Особенно сильно сказывался на качестве измерений присутствующий в атмосфере водяной пар. Клубясь, он ухудшал условия работы приемной системы, а его неравномерное распределение в пространстве приводило к разбросу измеряемых температур.

Рассмотреть образ далекого прошлого Вселенной можно сквозь довольно узкое "окно", пропускающее радиоволны длиной от 3 до 10 мм. Но чтобы заглянуть в это "окно", необходимо выбраться за пределы земной атмосферы.

За 15 лет исследований фонового излучения, проводимых с помощью аэростатов и высотных самолетов принстонской и берклиевской группами, чистое время их измерений не превысило 200 ч, т.е. за год они имели менее суток наблюдательного времени. Спутниковый эксперимент продолжительностью в один год с той же самой аппаратурой обеспечивает почти 100-процентное использование времени и эквивалентен практически полувековому наземному эксперименту.

Правда, помехи измерениям существуют и на околоземных орбитах. Их создает, например, тепловое излучение Луны и Земли. Поэтому нужно не только вывести аппаратуру за пределы атмосферы, но и максимально удалить спутник от этих небесных тел.

Первой попыткой исследования реликтового излучения с борта космического аппарата стал советский эксперимент "Реликт-1", проведенный в период с июля 1983 г. по февраль 1984-го. Его основной задачей являлось получение радиояркостной карты небесной сферы в 8-миллиметровом диапазоне длин волн.

Ввиду чрезвычайно незначительной ожидаемой неравномерности в угловом распределении космологического излучения, или, иначе говоря, его анизотропии, большое внимание при подготовке и проведении эксперимента уделялось созданию высокочувствительного аппаратурного комплекса. В ходе длительной и кропотливой работы впервые в практике мирового приборостроения в Институте космических исследований РАН удалось создать спутниковое приемное устройство такого класса.

Эксперимент "Реликт-1" проводили с помощью спутника "Прогноз-9". Он был выведен на орбиту с апогеем 700 000 км и наклонением 65,5°. Период обращения составлял около 27 суток. Таким образом, было сведено к минимуму попадание теплового излучения Луны и Земли на вход радиотелескопа, оснащенного двумя антеннами - опорным облучателем и измерительной антенной, которые поочередно с частотой 1 кГц подключались ко входу приемника. В результате на его выходе появлялся сигнал, пропорциональный разности антенных температур.

Спутник вращался вокруг оси, направленной на Солнце. Опорный рупор при этом смотрел в противоположную сторону, а измерительная антенна осматривала на небесной сфере кольцо шириной в 6°.

За счет орбитального движения Земли продольная ось "Прогноза-9" смещалась относительно Солнца примерно на 1° в сутки. Поэтому раз в неделю проводили переориентацию спутника, и лишь затем производили картографирование следующего кольца. Выходной сигнал записывался на магнитофон, и раз в 4 суток информация сбрасывалась на Землю. В результате за полгода была осмотрена почти вся небесная сфера.

Что же дал первый космический эксперимент?

Во-первых, подтвердились неоспоримые преимущества проведения исследований из космоса по сравнению в наземными. Во-вторых, и это главное, было установлено, что наблюдаемый уровень анизотропии намного ниже того, который ожидался. Это поставило под сомнение некоторые принятые в то время космологические модели и способствовало становлению и развитию новых взглядов на эволюцию Вселенной.

Другая неожиданность, выявленная экспериментом, - повышенная интенсивность электромагнитного излучения Галактики. К счастью, реликтовый и галактический фон имеют различную физическую природу, что позволяет отделить их друг от друга.

Орбиты спутников

Действительно, если на небесной сфере обнаружится пятно повышенной или пониженной яркости, его природа определится зависимостью температуры от частоты, на которой проводятся измерения. В случае, если изучаемая неоднородность вызвана излучением Галактики, эта зависимость будет ярко выраженной, для реликтового же излучения частота приема значения не имеет. Следовательно, получив радиояркостные карты на различных частотах, можно однозначно установить природу того или иного пятна, но для этого нужны сверхчувствительные радиометры, работающие в широком диапазоне частот.

Таким образом, требовалось значительно повысить чувствительность экспериментальной установки, способной к тому же проводить измерения на нескольких частотах.

Кстати, радиометр "Реликта-1" по чувствительности превосходил радиометры, которые планировалось использовать в тех же целях на американском спутнике СОВЕ. И после проведения советского эксперимента состав готовящейся к полету аппаратуры СОВЕ пришлось изменить. В 1989 г. на этом спутнике были запущены шесть радиометров, лучшие из них охлаждались до 150 К и должны были обладать чувствительностью приблизительно в два раза более высокой, чем наш радиометр, работавший при нормальной температуре. Действующий же при нормальной температуре американский радиометр ему уступал.

К сожалению, орбита спутника СОВЕ не оптимальна для проведения исследований реликтового излучения, что и стало, по-видимому, причиной значительных систематических погрешностей. Это и привело к тому, что достигнутая чувствительность приемных устройств СОВЕ оказалась в первые полгода несколько хуже достигнутой ранее в эксперименте "Реликт-1".

Так как же улучшить чувствительность радиометрической аппаратуры? Прежде всего необходимо как можно больше понизить температуру приемника. Осевая закрутка спутника для стабилизации его движения создает уникальные возможности для пассивного радиационного охлаждения аппаратуры. Предварительные оценки показали, что таким способом удается понизить температуру приемного устройства по крайней мере до температуры 100 К (-200°С). Кроме того, для улучшения чувствительности пригодны и статистические методы.

Если вы многократно измеряете одну и ту же величину, то случайные ошибки уменьшаются при этом в число раз, равное квадратному корню из числа измерений. Поэтому чем большее количество измерений проводится в единицу времени, тем чувствительнее будет аппаратура. В свою очередь, количество измерений в единицу времени определяется шириной полосы пропускания приемной системы. Так, для передачи телевизионного изображения используется полоса порядка 5 МГц, а в эксперименте "Реликт-1" полоса приемного устройства была в 100 раз шире. В проекте "Реликт-2" для тех же целей предполагается расширить полосу частот еще в 5-10 раз, т.е. в ней разместилось бы около тысячи телевизионных каналов.

Итак, для следующего эксперимента, который мы назвали "Реликт-2" и планируем провести в 1993-1995 гг., необходимы малошумящие широкополосные приемные устройства, охлаждаемые приблизительно до 100 К, а также антенны, принимающие излучение только по основному направлению. Эту задачу удалось успешно решить.

Чтобы определить, до какого уровня охлаждается размещенный в теневой части спутника аппаратурный комплекс, был сконструирован тепловой макет, а испытывали его в охлаждаемой жидким азотом вакуумной камере. В результате выяснилось, что при температуре окружающей среды 84 К аппаратура охлаждается до 100 К. Следовательно, во время полета при температуре окружающей среды 2,74 К можно достичь температуры приемников 80 К, и время эксперимента "Реликт-2" не будет ограничено ни тепловым режимом спутника, ни запасом охлаждающего вещества.

Чувствительность измерительной аппаратуры, создаваемой в Институте космических исследований РАН для "Реликта-2", в 20 раз выше, чем в эксперименте "Реликт-1", и имеется возможность ее увеличения. В частности, за счет усовершенствования приемных систем можно достичь чувствительности на частотах 22, 34,5 и 60 ГГц соответственно - 7, 1,5 и 4 тысячных доли градуса за одну секунду измерений. Этого будет достаточно не только для разделения реликтового и галактического излучений, но и количественной оценки современных космологических моделей.

Чтобы было понятно, сколь высоки требования к радиометрам "Реликта-2", приведем следующий пример. Для исследования климата Земли необходимо регистрировать тепловые контрасты в один градус, при определении состояния здоровья человека имеют значение десятые доли градуса, а изучение предыстории Вселенной требует замечать разницу температур в тысячные доли градуса, и делать это всего за одну секунду.

Правда, столь высокий показатель качества аппаратуры окажется бесполезным, если не удастся свести к минимуму мешающее воздействие теплового излучения Земли и Луны. Хотя большую часть времени спутник "Прогноз-9" находился дальше от Земли, чем Луна, оба небесных тела временами все же попадали в поле зрения приемной антенны и портили измерения.

Поэтому на полученной в эксперименте "Реликт-1" радиояркостной карте небесной сферы все же остались белые пятна. Они были там, где реликтовое излучение "глушилось" интенсивным излучением Галактики или Земли и Луны.

Многократное увеличение чувствительности аппаратурного комплекса "Реликт-2" потребовало выбора другой орбиты. П.Е. Эльясберг предложил выводить спутник в расположенную в 1,5 млн км от Земли точку либрации (точку Лагранжа). Это место обладает тем свойством, что помещенное сюда тело будет вращаться вокруг Солнца с тем же периодом, что и Земля. При этом Солнце, Земля и Луна будут находиться по одну сторону от спутника, что значительно облегчит проведение эксперимента. Правда, из-за неустойчивого положения космического аппарата вблизи точки Лагранжа придется периодически корректировать его орбиту. Зато здесь не скапливается межпланетная пыль, тепловое излучение которой могло бы исказить результаты измерений.

Итак, эксперимент "Реликт-2" будет проводиться в 1993 г. с борта специально создаваемого с этой целью космического аппарата "Либрис". После того как три ступени несущей его ракеты-носителя "Молния" закончат работу, "Либрис" вместе с разгонным блоком выведут на промежуточную эллиптическую околоземную орбиту. На первом ее витке будет включена двигательная установка разгонного блока, в результате чего аппарат перейдет на траекторию перелета к конечной цели. На этом пути планируется проведение двух-трех коррекций для исправления ошибок выведения, а потом, чтобы удержать "Либрис" вблизи либрационной точки, его двигатель будет регулярно включаться один-два раза в месяц.

Можно улучшить параметры конечной орбиты и другим путем, который предложил американский ученый Р.В. Фаркуар. Численное моделирование показало: гравитационный маневр вокруг Луны позволит существенно снизить величину максимального удаления спутника от точки Лагранжа. Поэтому он вначале запускается на промежуточную орбиту с удалением от Земли чуть больше радиуса лунной орбиты. Облетев несколько раз наш естественный спутник, аппарат приобретет необходимый импульс скорости, что и позволит ему точнее попасть в желаемую точку. Такая схема выведения более выгодна энергетически и позволяет увеличить массу полезного груза спутника на 30-40 кг.

Космический аппарат "Либрис" создается в Научно-производственном объединении им. С.А. Лавочкина совместно с другими предприятиями. Он состоит из комплекса научной аппаратуры и служебного модуля, обеспечивающего его работу в космосе в автоматическом режиме. По командной радиолинии на борт будет передаваться вся информация, необходимая для корректировки программ бортовых процессоров. Это позволит в случае необходимости изменять режимы работы научных приборов.

Кроме измерений характеристик реликтового излучения, "Либрис" будет заниматься изучением плазменно-волновых процессов в магнитосфере Земли. Возможно использование спутника и для астрофизических исследований, в частности для проекта "Аэлита-ИК", предусматривающего картографирование небесной сферы в различных диапазонах инфракрасного излучения. "Либрис" способен также участвовать в поиске источников позитронно-электронной аннигиляции в нашей Галактике. Для этого аппарат придется оснастить гамма-телескопом.

Подготовка шара-зонда

В заключение стоит отметить ярко проявившуюся при подготовке эксперимента "Реликт-2" взаимосвязь фундаментальных научных исследований с практическим использованием их результатов. Очень жесткие технические требования, предъявляемые к аппаратурному комплексу, и отсутствие подходящих серийных радиодеталей, вынудило нас самостоятельно разрабатывать практически все схемные элементы, которые входят в состав радиотелескопа. Зато на этой элементной базе в очень короткий срок были созданы средства для дистанционных измерений температуры земной атмосферы, а отдельные элементы и устройства с успехом применяются сейчас в медицине, системах связи и радиолокации, а также лабораторных образцах спектрометров для измерения концентрации озона и других малых газовых составляющих. Кстати, этот последний прибор наверняка поможет нашей стране выполнить свои обязательства в соответствии с Венской конвенцией по охране озонового слоя.

Air Jordans

Раздел: