Реликтовое излучение
Георгий Антонович Гамов — едва ли не единственный физик-теоретик, сделавший крупнейший вклад в три различные области современной науки: ядерную физику (модель альфа-распада и — совместно с Э. Теллером — модель бета-распада), астрофизику и космологию (модель «горячей Вселенной») и генетику (триплетная модель генетического кода).
В 1946 году Гамов первым в мире выдвигает теорию «горячей Вселенной», из которой вытекало существование реликтового излучения, образовавшегося в момент Большого Взрыва. Эта теория Гамова была подтверждена только спустя два десятилетия Пензиасом и Вильсоном, удостоенными за это открытие Нобелевской премии.
Реликтовое излучение — это электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной. Существовало оно уже на ранних стадиях расширения Вселенной, играя важную роль в её эволюции.
Реликтовое излучение является уникальным источником информации о прошлом Вселенной. Интенсивность и его спектр соответствуют излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К (-270,16 С). Реликтовое излучение распределено по всей вселенной — его плотность составляет около четырехсот фотонов на один кубический сантиметр, а на каждый атом обычного вещества приходится более ста миллионов реликтовых фотонов.
Ранняя Вселенная
Открытие реликтового излучения подтвердило предложенную Г. А. Гамовым гипотезу, согласно которой Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью, но и высокой температурой, достаточной для протекания ядерных реакций. При высокой температуре плазма находилась в термодинамическом равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной температура вещества и излучения падала, и равновесие между веществом и излучением нарушилось. Однако тепловое излучение сохранилось до современной эпохи: как раз оно и наблюдается в виде реликтового излучения. Его исследования могут дать ценный материал для космологических теорий. Так, по распределению излучения в пространстве можно судить о крупномасштабных свойствах Вселенной.
Выявление мелкомасштабных флуктуаций температуры реликтового излучения на небесной сфере дает возможность сделать заключение о первичных возмущениях в плотности и скорости вещества, рост которых привёл к образованию галактик и скоплений галактик, о времени их образования. Обнаружение отклонений реликтового излучения от законов излучения абсолютно чёрного тела позволило бы выявить источники выделения энергии, действовавшие во время его охлаждения на ранних стадиях развития Вселенной.
Карта ранней Вселенной
Национальное Американское Космическое Агентство (NASA) представило подробную карту ранней Вселенной: результаты измерений флуктуаций реликтового излучения. Эта работа представляет собой крупнейшее достижение современной космологии. Построенная карта отражает распределение вещества во Вселенной на ранних этапах ее развития — при возрасте около 380 тысяч лет. В переводе на масштаб времени жизни человека это соответствует пропорции — годовалого младенца и 80-летнего старика.
Данные по флуктуациям реликтового излучения были получены с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). В течение всего полета он измерял распределение излучения по всей небесной сфере. Зонд WМАР построен на базе зонда НАСА COBE (Cosmic Microwave Background Explorer), в 1992 году сделавшего первые в мире измерения такого рода. Зонд WМАР продолжил эти измерения, но с гораздо более высоким (больше, чем в 30 раз) разрешением.
Полученная карта ранней Вселенной позволяет сделать ряд выводов. Возраст Вселенной, ранее оценивавшийся в 12-15 миллиардов лет, теперь определен более точно: около 13,7 миллиардов лет. Определен срок образования первых звезд во Вселенной: 200 миллионов лет после рождения Вселенной — это намного раньше, чем предполагалось прежде.
Состав материи Вселенной
С помощью карты реликтового излучения удалось определить относительное содержание материи во Вселенной, в различных ее формах. Было уточнено, что обычное вещество (протоны, атомные ядра, электроны) составляет в ней примерно 4%. 23% приходятся на долю неисследованной еще «темной материи»: скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц; в гравитационных взаимодействиях «темная материя» участвует так же, как обычное вещество.
Оставшиеся 73% — это так называемая «темная энергия». Академик В.А. Рубаков считает, что исследования природы «темной энергии» является главной загадкой, которой занимается фундаментальная физика: «"Темная энергия" — гораздо более странная субстанция, чем "темная материя". Она не собирается в сгустки, а равномерно распределена во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что "темная энергия" в определенном смысле испытывает антигравитацию. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем».
