Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Когда исследователи рассчитали амплитуду гравитационных волн, которые, в соответствии с ожиданиями, должны были порождаться двойной нейтронной звездой, результат показал, что эти волны будут забирать из системы энергию, вследствие чего ее 7,75-часовая орбита сократится примерно на 1 секунду в течение последующих четырех лет, а с течением времени этот эффект станет еще сильнее. И это замечательное предсказание было подтверждено точными данными; сегодня, почти через пятьдесят лет после открытия системы PSR1913+16, ее орбитальный период стал на 66 секунд короче, что с точностью до 0,3 % соответствует предсказанию Эйнштейна.
В 1970-х годах, когда делались эти наблюдения, небольшая группа ученых-провидцев уже планировала построить устройство для непосредственного обнаружения гравитационных волн. Их сорокалетние усилия привели к созданию лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) с двумя станциями в штатах Луизиана и Вашингтон. Это поразительное устройство способно уловить изменение в длине одного из своих 4-километровых рукавов, вызванное проходящей гравитационной волной, которая эквивалентна тысячной доле диаметра протона.
В августе 2017 года, всего через столетие после того, как Эйнштейн познакомил мир со своей новой теорией гравитации, детекторы LIGO уловили колебания длины рукавов. Они начались с частоты в сорок раз в секунду, а потом амплитуда и частота, усиливаясь на протяжении 30 секунд, возросли до почти 500 колебаний в секунду, после чего сигнал пропал. Тем самым мы засвидетельствовали последние полторы тысячи витков двух нейтронных звезд, которые завершились их слиянием в черную дыру, – такой была окончательная судьба двойного пульсара Халса-Тейлора. Две секунды спустя обсерватория Ферми, вращающаяся вокруг Земли, зафиксировала полусекундный всплеск гамма-лучей, а через несколько часов телескопы по всему миру сфокусировались на новой яркой «звезде», вспыхнувшей в Галактике на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас и отметившей место этого катастрофического события. В течение месяца новая звезда постепенно исчезла из поля зрения, но мы успели собрать данные, которые позволяют предположить, что возникло огромное количество тяжелых элементов – например, примерно 200 земных масс Золота и 500 земных масс Платины8. В настоящее время LIGO проходит модернизацию, и скоро произойдет запуск детекторов гравитационных волн в Европе, Японии и Индии. Ожидается, что через несколько лет мы сможем наблюдать одно из этих событий примерно раз в неделю и сумеем «исчислить» ту важную роль, которую слияния нейтронных звезд играют в создании тяжелых элементов.
Есть и другие второстепенные процессы, благодаря которым появляются новые элементы. Новые ядра могут возникать в веществе дисков, вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр, хотя, поскольку на галактику приходится не более одной такой черной дыры, вряд ли этот источник может считаться значительным. Три самых легких элемента, Литий, Бериллий и Бор (3, 4 и 5-й элементы), в основном образуются в результате распада более тяжелых атомных ядер при столкновениях с космическими лучами – частицами сверхвысоких энергий, которые пронизывают межгалактическое пространство и ускоряются в остатках взорвавшихся звезд. За исключением первичного Водорода и Гелия, подавляющее большинство наших атомных историков рождаются после смерти звезд – обычных, белых карликов или нейтронных. Наша последняя задача – выяснить, откуда взялись Водород и Гелий. Мы переходим к Большому взрыву.
 Глава 17 
 В начале 
Если направить в космос радиоприемник, настроенный на длину волны от 1 см до 1 мм, то мы увидим энергию, идущую отовсюду. Характерная температура этого излучения – 2,725 К, чуть выше абсолютного нуля. Это небесное сияние удивительно однородно. Представьте себе топографическую карту неба, на которой наиболее насыщенные участки – это горы, самые бледные и едва заметные – долины, а в качестве среднего уровня мы возьмем высоту Эмпайр-стейт-билдинг (ок. 440 м от тротуара до верха антенны). На этой космической карте самая высокая гора будет подобна муравью, стоящему на вершине антенны, а самая низкая долина расположится примерно на 1 см ниже ее вершины. Этот сигнал, с его потрясающей однородностью, на которую накладываются крошечные флуктуации, представляет собой картину детства Вселенной (рис. 17.1).
 
Этот космический микроволновый фон был открыт в 1965 году1. Его существование было предсказано еще за двадцать лет до этого: предполагали, что именно таким должен быть остаток изначального состояния горячей Вселенной, которое мы сейчас называем Большим взрывом. Он дает нам огромную массу сведений о том, какой была новорожденная Вселенная 13,8 миллиарда лет назад. Излучение, испущенное всего через 390 000 лет2 после появления нашего пространственно-временного континуума, позволяет представить, в каких условиях, по всей видимости, начиналось само время.
Изначально Вселенная была очень горячей и очень плотной, и с тех пор она расширяется и остывает. По мере того как фотоны космического микроволнового фона движутся через пространство, протяженность которого непрестанно увеличивается, пики их волн отодвигаются все дальше и дальше друг от друга – и, соответственно, у волн возрастает длина и понижается энергия. Сегодня длина этих волн составляет около 1 миллиметра, хотя, когда они были излучены, она равнялась примерно 1 микрометру, иными словами, волны были в 1000 раз короче. Сегодня эти световые волны характерны для температуры чуть ниже 3 кельвинов – но в то время, когда они только устремились к нам, температура Вселенной доходила до 3000 кельвинов, то есть была в 1000 раз выше.
Рис. 17.1. Пространственное распределение температуры космического микроволнового фонового излучения по всему небу. Самые темные области отличаются от ярчайших лишь на 4 части из 100 000, но именно так отражаются колебания плотности и температуры, которые привели к возникновению нашей видимой современной Вселенной со всей ее сложной структурой
Почему же нас интересует именно этот конкретный момент истории Вселенной? Фотоны возникли не тогда – они существовали и прежде и обладали еще более высокой энергией. Но 3000 К – это температура, при которой электроны могут соединяться с протонами и ядрами Гелия, образуя атомы Водорода и Гелия. При более высокой температуре энергия окружающих фотонов возрастает до еще более высоких значений, благодаря чему они ионизируют электроны в тот самый момент, когда те присоединяются к ядрам, поэтому стабильные атомы не могут образоваться. Электроны, утратившие связь с ядром, движутся очень быстро (поскольку они почти в 2000 раз легче, менее массивны, чем ядра), постоянно сталкиваются с фотонами и отклоняются со своего пути. Таким образом, переход от свободных электронов к тем, которые связаны с ядрами, внезапно делает Вселенную прозрачной, и фотоны космического микроволнового фонового излучения могут направиться прямо к нашим детекторам, совершив путешествие длиной в 13,8 миллиарда лет, а мы ловим их и изучаем, как распределялась материя через 390 000 лет после Большого взрыва.
В космическом микроволновом фоновом излучении много фотонов. В каждом кусочке пространства размером с кубик сахара их насчитывается 411 единиц (да, в том числе прямо сейчас у вас на заднем дворе). Все они движутся со скоростью света (в конце концов, они – часть электромагнитного спектра), поэтому, когда вы выходите за дверь, около 50 триллионов из них обрушиваются вам на голову каждую секунду. Вы не чувствуете теплого свечения, потому что это фотоны с очень низкой энергией; им потребуется 3 года непрерывного воздействия, чтобы сравняться с энергией, которую вы получаете за секунду от лампочки мощностью 1 Вт, украшающей елочную гирлянду. Однако это огромное количество фотонов дает нам важную подсказку к разгадке происхождения всего сущего. Если мы сравним его с количеством протонов (или электронов – их количество одинаково) в современной Вселенной, ответ будет таким: на каждый протон приходится 1,6 миллиарда фотонов.