Космология - наука о возникновении и эволюции Вселенной.
Концепция большого взрыва не стла немедленно очевидной для астрофизиков, а выросла из постепенного накопления доказательств, собранных как в теоретических, так и в наблюдательных исследованиях в течение 20-го столетия. Широкий спектр теорий, пытающихся объяснить возникновение Вселенной был со временем опровергнут и заменен на гипотезу Большого взрыва, на основе следующих решающих соображений:
Однако, вскоре через Роберта Дики и Джима Пеблса из Принстона им стало известно, что это фоновое излучение, на самом деле,
было предсказано за несколько лет до этого Георгом Гамовым, как реликт эволюци ранней Вселенной. Этот микроволновый фон
фактически являлся охлажденным остатком первородного ядра - эхом Большого взрыва. Если Вселенная однажды была очень горячей и
плотной, то фотоны и барионы должны были образовать плазму, то-есть газ ионизированной материи пронизанной излучением и постоянно
рассеивающий фотоны на ионах и электронах. По мере расширения и охлаждения Вселенной настал момент, когда излучение (фотоны)
отклеилось от материи - это случилось приблизительно через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Излучение охлаждалось,
и сегодня имеет температуру около 2.7 Кельвина. Тот факт, что спектр излучения является практически точным спектром "абсолютно черного
тела" (способ описания физиками совершенного источника излучения) подразумевает, что оно не могло иметь прозаические причины своего
возникновения.
На рисунке вверху линией показан теоретический спектр черного тела, точками - экспериментальные данные - прим. переводчика. Это привело, например, к смерти Теории стационарного состояния. Фактически, сектр реликтового фона является чернотельным с точностью более 1% более чем в 1000 раз в длинах волн. Это намного более точное абсолютно черное тело, чем мы можем создать в лаборатории!
К началу 1970х годов стало ясно, что микроволновое небо является более горячим в одном направлении и более холодным в противоположном направлении, с разницей температур в несколько милиKельвинов (или около 0.1% всей температуры фона). Этот рисунок изменения темературы неба называется "диполем", и является в точности тем, что ожидается, если мы движемся по отношению к фоновому излучению с большой скоростью в направлении горячей части. Вывод такой, что вся наша местная группа галактик движется в данном направлении со скоростью около 600 км/сек. В направлении нашего движения длины волн излучения являются плотнее сжатыми (фиолетовое смещение), что делает небо выглядящим горячее, в то время как в противоположном направлении длины волн растянуты (красное смещение), что делает небо выглядящим холоднее в этом направлении. Если вычесть этот диполь, обусловленный нашим движением, то микроволновое фоновое небо предстанет перед нами невероятно изотропным. Последующие исследования, включая совсем недавие, проведенные спутником COBE (Smoot с соавт.), подтвердили, что совершенство изотропии микроволнового фона превосходит одну часть на десять тысяч.
Карта неба на микроволновых частотах, показывает, что микроволновый фон является практически совершенно однородным во всех направлениях.
При данном уровне изотропии, наряду с точностью соответствия спектра чернотельному, любая попытка интерпретации появления микроволнового фона в результате каких-либо имеющихся в настоящее время астрофизических явлений (например звезды, пыль, радиогалактики, и т.п.) больше не является заслуживающей доверия. Следовательно, единственное удовлетворительное объяснение существования микроволнового фона заключается в физике ранней Вселенной.
Общепринятой является уверенность, что почти ничего известного не происходило в последующие 300,000 лет или около того. Этот период иногда называют "Темными веками" Вселенной. Одним из способов изучения физических процессов, которые могли происходить в это время, является поиск незначительных отклонений от чернотельного спектра в спектре микроволнового фона. Поступление энергии в результате, например, распада экзотических частиц, могло исказить спектр немного отклоняя его от характерной для абсолютно черного тела формы. Однако, до настоящего времени не было обнаружено таких отклонений, и потому, у нас нет причин полагать, что что-либо особенно захватывающее происходило в течение этого времени.
Важным событием, произошедшим примерно через 300,000 лет после Большого взрыва, является то, что Вселенная стала достаточно холодной для того, чтобы атомы стали нейтральными. До этого времени все протоны и электроны существовали как свободные ионы, движущиеся в плазме. каждый раз, когда протон захватывал электрон, он сталкивался с фотоном с такой энергией, что они вновь распадались на отдельные частицы. Лишь примерно через несколько сотен тысяч лет средняя температура стала достаточно низкой, чтобы протоны могли удержать свои электроны, образуя нейтральные атомы водорода. Этот период называют эпохой "рекомбинации" (обычно, когда атомы становятся нейтральными, после того как были ионизированы, мы говорим о них, как о рекомбинированных -- однако здесь, на самом деле, ионы и электроны связываются в первый раз, поэтому этот процесс, возможно, следовало назвать "комбинацией"!).
Не обязательно, они ведь связывались друг с другом все эти 300,000 лет, но избыточная энергия излучения всякий раз их разбивала. Фактически, эпоха рекомбинации также должна была продолжаться немало лет, в течение которых большая часть оразующихся атомов распадалась все реже и реже, пока, в конце концов, не перестала распадаться вовсе. Поэтому рекомбинация, в последний раз, вполне подходящий термин в этом смысле - прим. переводчика.
Когда Вселенная была ионизирована, материя постоянно взаимодействовала с излучением, например фотоны постоянно рассеивались ионами и электронами. Оглядываясь назад в реликтовом фоне мы наблюдаем поверхность "последнего рассеяния", когда фотоны последний раз интенсивно взаимодействовали с материей. В более раннее время Вселенная была непрозрачной, и потому, мы не можем заглянуть в прошлое дельше, чем в эпоху рекомбинации. Между последним рассеянием и сегодняшним днем Вселенная являлась практически совершенно прозрачной. Поэтому, когда мы наблюдаем микроволновое излучение, мы видим, во всех направлениях, то излучение, которое в последний раз рассеялось. Это значает, что мы, фактически, заглядываем назад в прошлое до нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва.
После рекомбинации Вселенной, начали формироваться звезды, галактики и скопления галактик. Мы знаем не много деталей этих процесов, главным образом потому, что это очень сложные физические процессы. Одной из ключевых неопределенностей является понимание того, что является "зародышами", из которых выросли галактики и другие структуры. Все, что мы видим в оптические телескопы (или телескопы на любых других диапазонах длин волн), рассказывает нам об объектах, которые существовали последние 10 милиардов лет или около того. По мере продвижения ко все более ранним временам, становится всё более сложно выяснять условия, существовавшие во Вселенной.
Тщательные наблюдения микроволнового фона обеспечивают именно определенного рода информацию, необходимую, чтобы атаковать самую главную космологическую головоломку наших дней. Рассматривая небольшую температурную рябь температуры микроволнового неба, мы можем понять что-либо о зародышах флуктуаций, в том виде, в котром они существовали через 300,000 лет после Большого взрыва, и задолго до того, как начали образовываться галактики. Мы можем также узнать, на что былапохожа Вселенная, как целое в те времена: была ли она открытой или замкнутой; какова основная форма темной материи; и как расширялась Вселенная с тех пор. Посредством тщательного изучения Космического микроволнового фона мы можем исследовать космологические Темные Века.
Эти флуктуации температуры являются отпечатком весьма незначительных нерегулярностей, которые с течение времени выросли, чтобы стать галактиками и скоплениями галактик, которые мы наблюдаем сегодня.
