Нобелевский комитет обратил свой взор на работы, связанные с глубинами Вселенной

Наука и жизньНаука

Эволюция Вселенной и открытие первой экзопланеты

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

В этом году Нобелевский комитет вновь обратил свой взор на работы, связанные с глубинами Вселенной, присудив премии «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе». Одну половину Нобелевской премии получит Джеймс Пиблс (James Peebles) «за теоретические открытия в физической космологии», а другую — разделят Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа».

От реликтового излучения до тёмной энергии

В прошлом веке в космологии утвердилась модель Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная развивается из первоначального очень плотного состояния. Эта модель стала продолжением представлений о расширяющейся Вселенной, математическую теорию которой в 1922 году вывел советский математик Александр Фридман из общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Независимо от него подобную идею выдвинул в 1927 году бельгийский астроном и священник Жорж Леметр, объяснявший расширением Вселенной разбегание туманностей. Он опирался на работы Эдвина Хаббла, с которыми познакомился годом ранее. Именно наблюдения Хаббла, опубликованные в 1929 году, привели к всеобщему признанию расширения Вселенной. А в 1931 году всё тот же Леметр в своей работе о «начале мира» выдвинул идею эволюции Вселенной из точечного состояния, которое он назвал «первобытным атомом».

Следующий шаг был сделан в конце 1940-х годов, когда в попытке объяснить происхождение элементов в нашей Вселенной Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Херман сформулировали первую модель горячего Большого взрыва. В соответствии с ней родившуюся Вселенную заполняла чрезвычайно горячая и плотная плазма из электронов, протонов, альфа-частиц (ядер гелия) и фотонов, которые находились в состоянии теплового равновесия с веществом. По мере расширения плазма охлаждалась. В некоторый момент (по современным оценкам, примерно через 400 000 лет после Большого взрыва) энергии фотонов перестало хватать на ионизацию вещества и началось образование нейтральных атомов. В 1948 году Георгий Гамов утверждал, что это произойдёт, когда плотность излучения будет примерно равной плотности вещества, при температуре в несколько тысяч градусов. Одновременно плазма стала прозрачной для электромагнитного излучения, которое начало свободно распространяться по Вселенной, просуществовав до наших дней. Альфер и Херман сделали вывод, что температура этого космического микроволнового фонового излучения (с подачи академика Иосифа Самуиловича Шкловского в нашей стране его часто называют реликтовым) в настоящее время должна была упасть до 5 градусов Кельвина.

Стоит пояснить, что такое температура электромагнитного излучения. Дело в том, что физики используют в качестве модели теплового излучения нагретых тел излучение так называемого абсолютно чёрного тела. Оно испускает электромагнитные волны всех частот, причём вид их спектра зависит только от температуры. (Спектром излучения называют зависимость его интенсивности от частоты.) Кстати, по характеристикам излучения к чёрному телу, нагретому до 6000 К, близко Солнце. Таким образом, температура излучения равна температуре абсолютно чёрного тела, испускающего его. А близость формы спектра излучения к чернотельному свидетельствует о его испускании нагретым телом. Именно чернотельный характер реликтового излучения впоследствии позволил утверждать, что происхождением оно обязано горячей Вселенной.

Космолог Джеймс
Пиблс, профессор
Принстонского
университета. 2010 год.
Фото: Juan Diego
Soler/Flickr/Wikimedia
Commons/CC BY 2.0

Своим вариантом теории горячего Большого взрыва в Принстонском университете занималась и группа Роберта Дикке, в которую входил молодой Джеймс Пиблс, защитивший в 1962 году под руководством Дикке докторскую диссертацию. Они независимо от Гамова (по словам Дикке, про него просто забыли) в 1964 году предсказали реликтовое излучение, для которого Пиблс рассчитал температуру 10 К, и даже начали строить антенну для его обнаружения. И тут выяснилось, что их опередили.

Американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон в 1964 году случайно сделали одно из важнейших открытий XX века — обнаружили реликтовое излучение и заслуженно получили за это Нобелевскую премию по физике 1978 года. Исследуя мощный радиоисточник Кассиопея А, они никак не могли избавиться от постоянного «шума», который антенна улавливала со всех направлений в космосе. Это означало, что источником шума не могла быть наша галактика Млечный Путь, видимая с Земли как полоса на небе. Своей бедой Пензиас поделился с радиоастрономом Бернардом Бёрком, который был знаком с результатами Пиблса. Их телефонный разговор стал переломным моментом в судьбе будущего нобелевского лауреата. Бёрк связал Пензиаса с Дикке, который сразу понял, что именно тот обнаружил. Как говорят, расстроенный Дикке пришёл к своим коллегам со словами: «Нас обскакали!».

Упустив шанс открыть реликтовое излучение, группа Дикке тем не менее стала первой, кто дал ему объяснение. Они быстро написали статью «Космическое чернотельное излучение», которая вышла в майском номере журнала «Astrophysical Journal Letters» за 1965 год одновременно со статьёй Пензиаса и Уилсона о совершённом ими открытии. Правда, про Большой взрыв там написано не было, речь шла только о том, что сделанное открытие подтверждает «расширение Вселенной от высокотемпературного коллапсированного состояния». Сами первооткрыватели в этой интерпретации уверены не были и назвали свою статью осторожно: «Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц». Отметим, что Пензиас и Уилсон предложили Дикке стать соавтором их статьи, но тот благородно отказался, сказав, что это исключительно их заслуга. Этим он, возможно, лишил себя Нобелевской премии.

Анизотропия реликтового излучения, наблюдаемая космической обсерваторией «Планк». Цветные пятна показывают крошечные колебания температуры излучения, которые соответствуют областям чуть различной плотности через 400 000 лет после Большого взрыва — зародышам будущих галактик и их скоплений. Иллюстрация: ESA, Planck Collaboration.

Стоит отметить, что температура реликтового излучения 10 К, рассчитанная Пиблсом, и 3,5 К, измеренная Пензиасом и Уилсоном на их несовершенной аппаратуре, очень близка к современному значению 2,7 К. Это просто блестящий результат, тем более что атмосфера не пропускает бóльшую часть спектра фонового излучения и Пензиас с Уилсоном делали выводы на основании только длинноволновой его части. Чернотельность всего спектра была доказана лишь через 30 лет (Нобелевская премия по физике за 2006 год).

Но главный научный прорыв произошёл, когда Пиблс понял, что температура реликтового излучения может дать информацию о том, сколько и какой материи было создано в Большом взрыве. А высвобождение света сыграло решающую роль в том, как материя могла позже «сгуститься», формируя галактики и скопления галактик, которые мы сейчас видим в космосе. Первую статью на эту тему Пиблс опубликовал в 1965 году. В дальнейшем он одним из первых описал механизм образования реликтового излучения (независимо от него это сделали советские физики Яков Борисович Зельдович, Владимир Гдальевич Курт и Рашид Алиевич Сюняев) и увязал его с количеством гелия во Вселенной. Дело в том, что образование гелия из дейтерия требует высокой температуры и плотности. Чем плотнее Вселенная, тем больше образуется гелия. Когда же температура падает достаточно низко, то с отрывом излучения от вещества прекращается и нуклеосинтез. Причём более тяжёлые элементы вообще не образуются. Этот подход Пиблса сильно отличался от работ предыдущих десятилетий, когда считалось, что тяжёлые элементы возникли в результате Большого взрыва.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

От книжного колеса до букридера От книжного колеса до букридера

Иллюстрированная история устройств для чтения

Наука и жизнь
Каршеринг в СССР: на чем ездили и сколько это стоило Каршеринг в СССР: на чем ездили и сколько это стоило

Как работал прокат автомобилей в стране, где развивался коммунизм?

РБК
Следи за собой Следи за собой

Статистика знает все обо всех, но ничего не скажет о конкретном человеке

Популярная механика
Водопровод преткновения Водопровод преткновения

Крупнейшая сделка на энергетическом рынка Европы застопорилась из-за водоканала

Эксперт
Анна Седокова Анна Седокова

Наверное, она уже привыкла к эпитетам «горячая», «аппетитная», «сочная»

Playboy
Как Charli XCX стала популярнее Адель и Дуа Липы Как Charli XCX стала популярнее Адель и Дуа Липы

Она выступает на рейвах и записывает фиты с лучшими молодыми музыкантами мира

GQ
Генераторы ритма и размеры животных Генераторы ритма и размеры животных

Периодические движения у животных: что это?

Наука и жизнь
Новый вызов для миллениалов. Итоги мозгового штурма Новый вызов для миллениалов. Итоги мозгового штурма

Что делать, если вы или ваш ребенок лежит на диване и ничего не хочет делать?

СНОБ
Советский модернизм Советский модернизм

Вспоминая архитектурную «перестройку»

Наука и жизнь
Когда чужая зависть вызывает в нас чувство стыда Когда чужая зависть вызывает в нас чувство стыда

Как так получается, что человек, желая защитить себя от зависти, испытывает стыд

Psychologies
Микробы от похмелья Микробы от похмелья

Бактерии, которые способны утилизировать алкогольный токсин в кишечнике

Популярная механика
Максим Радугин. Большой романтик Максим Радугин. Большой романтик

Узнавать на улицах впервые стали после «Принцессы цирка»

Караван историй
То ли волк, то ли собака То ли волк, то ли собака

Откуда появляются волкособаки?

Наука и жизнь
И не забыть про десерт И не забыть про десерт

Лето с подчас хаотичной и не вполне правильной едой закончилось

Худеем правильно
Клеточное чувство кислорода Клеточное чувство кислорода

Как клетки адаптируются к изменениям концентрации кислорода?

Наука и жизнь
Его главные женщины Его главные женщины

Мама, дочь и другие дамы его сердца – как тебе вести себя с ними

Лиза
И в горе, и в радости: истории пяти жен диктаторов из прошлого И в горе, и в радости: истории пяти жен диктаторов из прошлого

Печальные судьбы супруг самых влиятельных диктаторов прошлого

Cosmopolitan
А может, перерастет? А может, перерастет?

Педиатр отвечает на самые волнующие вопросы родителей об аденоидах

Лиза
«Спектр-РГ» «Спектр-РГ»

Обсерватория для нового обзора неба

Наука и жизнь
Как развить в себе лидерские качества и стать лидером в коллективе: полезный гайд Как развить в себе лидерские качества и стать лидером в коллективе: полезный гайд

Какими качествами, умениями и компетенциями должен обладать лидер

Playboy
Комсомольский комсомолец Комсомольский комсомолец

Уголок желтой прессы

Maxim
Американская мечта Guess Американская мечта Guess

Как три брата Марсиано изменили американскую моду навсегда

Vogue
Здорово, фанагорийцы! Здорово, фанагорийцы!

Как в современной России оживает античность

Русский репортер
Новая ловушка для автомобилистов: инспектор тормозит под камерой Новая ловушка для автомобилистов: инспектор тормозит под камерой

Водители останавливаются под запрещающими знаками и получают штрафы

РБК
Эротик-арт Сандры Ковальски Эротик-арт Сандры Ковальски

Sandra Kowalski покупают миллионеры и тусовщики, арт-география – весь мир

Playboy
Что «Вояджер 2» нашел в космосе за пределами Солнечной системы Что «Вояджер 2» нашел в космосе за пределами Солнечной системы

Ученые наконец-то проанализировали данные о путешествии Voyager 2

Популярная механика
Тонкая работа Тонкая работа

Эклектичный интерьер, в котором гармонично соединились разных стилей

SALON-Interior
Жизненная сила Жизненная сила

Теории о формах жизни - от живых камней до плазменных жителей космоса

Вокруг света
Здесь никто не живет Здесь никто не живет

На чьей земле строится мусорный полигон на станции Шиес

Русский репортер
Певица года: Maruv Певица года: Maruv

Без Maruv не обошелся ни один плей-лист 2019‑го

Glamour
Открыть в приложении