Как старые телевизоры доказывают теорию Большого взрыва?

В век высоких технологий мы не особо задумываемся о старой бытовой технике. И уж тем более о старых, огромных телевизорах. Их место теперь занимают плоские черные прямоугольники с жидкокристаллическими экранами. Но что, если мы недооцениваем старое поколение телевизоров? Ведь они оснащены антеннами для приема широковещательных сигналов, что, безусловно, чрезвычайно архаично по современным стандартам. Тем не менее, эти антенны в некотором смысле являются весьма специфическим типом радиотелескопа и могут быть использованы учеными, чтобы… обнаружить Большой Взрыв. На протяжении бесчисленных поколений философы, теологи и поэты размышляли о нашем космическом происхождении, выдвигая самые разнообразные гипотезы. Все изменилось в XX веке, когда теоретические, экспериментальные и наблюдательные открытия в физике и астрономии, наконец, вывели эти вопросы в область проверяемой науки.

Как родилась Вселенная?

Сегодня ученым известно, что сочетание космического расширения, первобытного изобилия легких элементов, крупномасштабной структуры Вселенной и космического микроволнового фона объединилось, чтобы положить начало Большому Взрыву. Хотя космический микроволновый фон (реликтовое излучение) был обнаружен только в середине 1960-х годов, внимательный наблюдатель мог бы обнаружить его в самых неожиданных местах: например, в старом телевизоре.

Реликтовое излучение – это космическое микроволновое фоновое излучение, возникшее в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва

Тот факт, что галактики на разных расстояниях проявляют разные свойства, был первой подсказкой для исследователей, которая и привела их к идее Большого Взрыва. Однако наиболее важные доказательства, подтверждающие это эпохальное событие, появились только в середине 1960-х годов.

Чтобы понять, как все устроено, необходимо понять, что такое реликтовое излучение (космическое фоновое микроволновое излучение). Сегодня, первым что бросается в глаза во воемя изучения Вселенной, являются галактики, а точнее их несметное количество: ученым видно приблизительно 2 триллиона. И это согласно лучшим современным оценкам. Галактики в непосредственной близости к Млечному Пути очень похожи между собой: их заполняют звезды, похожие на звезды в нашей собственной галактике. Но что на счет законов физики?

Логично предположить, что законы физики в других галактиках такие же как в нашей. Их звезды также должны состоять из протонов, нейтронов и электронов, а их атомы подчинялись бы тем же квантовым законам, что и атомы в Млечном Пути. Однако есть небольшая разница в освещении, которое мы получаем. Вместо тех же атомных спектральных линий, которые мы находим здесь, дома, свет от звезд в других галактиках показывает смещенные атомные переходы.

Каждый элемент во Вселенной имеет свой собственный уникальный набор атомных переходов, которые соответствует определенному набору спектральных линий. Мы можем наблюдать эти линии в галактиках, отличных от нашей собственной, но хотя картина та же самая, линии, которые мы наблюдаем, систематически смещены относительно линий, которые мы создаем с атомами на Земле. Эти сдвиги уникальны для каждой конкретной галактики, но все они следуют определенной схеме: чем дальше находится галактика (в среднем), тем больше смещение ее спектральных линий в сторону красной части спектра. Чем дальше мы смотрим, тем больше сдвигов мы видим.

Спектральные линии

Спектральные линии возникают, когда световые волны определенных цветов поглощаются. Как пишет Forbes, свет может быть смещен, потому что эти галактики быстро отдалялись от Большого взрыва. Первоначальные наблюдения Хаббла за расширением Вселенной в 1929 году последовали впоследствии… [ + ] более подробные, но и неопределенные наблюдения. График Хаббла ясно показывает соотношение красного смещения и расстояния с превосходящими данными по сравнению с его предшественниками и конкурентами; современные эквиваленты идут гораздо дальше. Заметим, что особые скорости всегда присутствуют, даже на больших расстояниях, но что общая тенденция, связывающая расстояние с красным смещением, является доминирующим эффектом.

Этот последний пункт оказался в полном согласии с нашими наблюдениями и помог нам понять, что с течением времени расширяется сама ткань пространства. Причина, по которой свет становится краснее, чем дальше мы смотрим, заключается в том, что Вселенная расширяется с течением времени, и свет внутри этой вселенной получает свою длину волны, растянутую расширением. Чем дольше свет путешествовал, тем больше красное смещение из-за расширения. Когда мы движемся вперед во времени, излучаемый свет смещается к большим длинам волн, которые имеют более низкие температуры и меньшие энергии. Но это означает, что если мы посмотрим на Вселенную противоположным образом — представив ее такой, какой она была в далеком прошлом, — мы увидим свет с меньшими длинами волн, с более высокими температурами и большими энергиями. Чем дальше вы экстраполируете, тем горячее и энергичнее должно быть это излучение.

По мере того как ткань Вселенной расширяется, длины волн любого присутствующего излучения будут растягиваться. Это верно как для гравитационных волн, так и для электромагнитных волн; любая форма излучения имеет свою длину волны растянутой (и теряет энергию) по мере расширения Вселенной. По мере того как мы углубляемся в прошлое, излучение должно появляться с более короткими длинами волн, большими энергиями и более высокими температурами.

Хотя это был захватывающий теоретический скачок, ученые (начиная с Джорджа Гамова в 1940-х годах) начали экстраполировать это свойство все дальше и дальше, пока не был достигнут критический порог в несколько тысяч Кельвинов. В этот момент, как следовало из рассуждений, присутствующее излучение будет достаточно энергичным, чтобы некоторые из отдельных фотонов могли ионизировать нейтральные атомы водорода: строительный блок звезд и первичное содержимое нашей Вселенной.

Когда вы переходите из вселенной, которая была выше этого температурного порога, в ту, которая была ниже его, Вселенная переходит из состояния, которое было заполнено ионизированными ядрами и электронами, в состояние, заполненное нейтральными атомами. Когда материя ионизирована, она рассеивается от излучения; когда материя нейтральна, излучение проходит прямо через эти атомы. Этот переход знаменует собой критический момент в прошлом нашей Вселенной.

После образования нейтральных атомов, вследствие охлаждения Вселенной ниже определенного критического порога, фотоны света движутся по прямой линии, на которую влияет только длина волны расширения пространства. Впечатляющая реализация этого сценария заключается в том, что сегодня это излучение остыло бы от нескольких тысяч Кельвинов до всего лишь нескольких градусов выше абсолютного нуля, поскольку Вселенная должна была расшириться где-то от сотни до нескольких тысяч раз с той эпохи. Она и сегодня должна оставаться фоном, приходящим к нам со всех сторон в пространстве. Он должен иметь определенный набор спектральных свойств: распределение абсолютно черного тела. И он должен быть обнаружен где-то в диапазоне от СВЧ до радиочастот.

Помните, что свет, каким мы его знаем, — это гораздо больше, чем просто видимая часть, к которой чувствительны наши глаза. Свет приходит в различных длинах волн, частотах и энергиях. То, что было ультрафиолетовым, видимым и инфракрасным светом миллиарды лет назад, становится микроволновым и радио излучением.