«Ось зла»: как странная аномалия чуть было не подорвала веру в современную космологию

Эхо Большого взрыва

Земля смотрит в небо тысячами глаз-телескопов. Еще несколько десятков размещены на орбите. Первые телескопы были оптическими и предназначались для наблюдения световой части спектра электромагнитного излучения, которая доступна человеческому глазу. Современные же всматриваются в бездонное космическое пространство и наблюдают его объекты во всем спектре электромагнитного излучения. К примеру, космическая обсерватория Swift. Она предназначена для регистрации и наблюдения космических гамма-всплесков – исполинских выбросов энергии, наблюдаемых в отдаленных галактиках. Место коротковолнового гамма-излучения в самом начале электромагнитного спектра. Российская орбитальная обсерватория «Радиоастрон» изучает черные дыры и нейтронные звезды в радиодиапазоне, ближе к другому концу спектра.

Некоторые орбитальные обсерватории известны больше, некоторые меньше. Возглавляет рейтинг популярности космический телескоп «Хаббл», находящийся на орбите уже 27 лет. Он изучает космос в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Широко известен и «Кеплер», оснащенный сверхчувствительным фотометром, работающим в диапазоне 430–890 нм (видимый и инфракрасный диапазоны) и способный одновременно наблюдать за колебанием яркости 145 000 звезд.

Но есть среди них орбитальные обсерватории, основное предназначение которых не отдельные звезды, планеты или галактики, а сама Вселенная. Цель их нахождения на орбите – помочь астрономам разобраться в структуре нашей Вселенной, попытаться понять ее историю.  А возможно, и увидеть через стену невероятных расстояний и другие вселенные.

Запущенная NASA в июне 2001 года обсерватория WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) относилась именно к таким. Аппарат предназначался для изучения фонового реликтового излучения, которое образовалось в результате Большого взрыва. До октября 2010 года он находился в 1,5 млн км от Земли на орбите около точки Лагранжа L2 системы Солнце – Земля. В период с 2001 по 2009 год он сканировал небесную сферу и передавал результаты наблюдений на Землю. На основании данных, полученных телескопом, была составлена подробная радиокарта неба на нескольких длинах электромагнитных волн: от 1,4 см до 3 мм, что соответствует микроволновому диапазону.

Реликтовое излучение заполняет Вселенную равномерно. Это фоновое микроволновое излучение, которое возникло в эпоху первичной рекомбинации водорода, своеобразное «эхо» Большого взрыва. Оно обладает высокой степенью изотропности, то есть однородности во всех направлениях.  Его спектр излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К. Максимум излучения приходится на электромагнитные волны длиной 1,9 мм и частотой 160,4 ГГц, (микроволновое излучение). Не вдаваясь в детали, на шкале электромагнитного излучения это между тепловым инфракрасным излучением и частотами сотовой связи, радио- и телевещания. Микроволновое реликтовое излучение изотропно с точностью до 0,01 %. Именно об этом говорит чередование «теплых» оранжевых  и «холодных» синих областей на радиокартах космических аппаратов. Оно обладает некоторой анизотропией в малых масштабах.

В 2010 году обсерватория закончила свою миссию. Так же, как когда-то WMAP сменил на своем посту космическую обсерваторию COBE (Cosmic Background Explorer), также известную как Explorer 66, так и его заменила более чувствительная и современная европейская обсерватория «Планк» (Planck), размещенная в той же точке L2. Planck имеет более высокую чувствительность и работает с более широким диапазоном частот.

Пронзенная осью

Основным положением современной космологии, на котором основано большинство современных моделей устройства Вселенной, является так называемый космологический принцип. Согласно ему, в один и тот же момент времени каждый наблюдатель, где бы он ни находился и в каком направлении бы ни смотрел, обнаружит во Вселенной в среднем одну и ту же картину.

Вот эта независимость от места наблюдений, равноправие всех точек пространства называется однородностью. А независимость от направления наблюдений, отсутствие выделенного направления в пространстве, то есть то, что Вселенная не предпочитает одно направление другому, – изотропией. А ее отсутствие – анизотропией.

Все бы ничего, да только в процессе обработки данных, полученных зондом WMAP, были сделаны выводы как раз о такой анизотропии Вселенной. Результаты анализа данных показывали на наличие в космосе некой протяженной области, вокруг которой и происходит ориентация всей структуры Вселенной. То есть в космосе все-таки есть направление, в котором выстраиваются галактики и крупные космические объекты. Это явление, способное сломать современное представление о Вселенной, и было названо «Осью зла». Сам термин ввел в употребление работающий в Великобритании португальский физик и космолог Жуан Магейжу (João Magueijo).

Такое название, как считается, связано не столько с «геометрией» феномена, сколько с тем влиянием, которое феномен может оказать на современные сложившиеся представления о Вселенной. Кроме всего прочего, за несколько лет до этого президент США Джордж Буш ввел такой же термин по отношению к странам, которые, по мнению США, спонсируют международный терроризм и представляют угрозу миру и стабильности на планете.

Стоит отметить, что некоторой неоднородностью и анизотропией наша Вселенная обладает. В противном случае не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет. И, в конце концов, нас с вами тоже. Все это является отклонениями от однородности Вселенной. Космологический принцип применяется к  очень большим масштабам, значительно превышающим размер скопления галактик. Речь идет о сотнях миллионов световых лет. В меньших масштабах неоднородность возможна как следствие вызванных Большим взрывом квантовых флуктуаций.

Магейжу, наблюдая за «теплыми» (оранжевыми) и «холодными» (синими) областями флуктуаций микроволнового реликтового излучения, сделал интересное открытие. Он установил, что и на самых больших масштабах флуктуации реликтового излучения (колебания температуры) расположены не случайным образом, а относительно упорядоченно.

Отдельным примером проявления такой анизотропии является реликтовое холодное пятно в созвездии Эридана. Здесь микроволновое излучение значительно ниже, чем в окружающих его областях. Составляющая почти миллиард световых лет в поперечнике Сверхпустота Эридана имеет гораздо меньше звезд, газа и галактик, чем обычно.

Показалось?

И вот в 2009 году ЕКА вывело на орбиту более совершенный телескоп «Планк».  Космический аппарат имел на борту два инструмента для исследования неба: низкочастотный приемник, охватывающий диапазон частот от 30 до 70 ГГц, что соответствует волнам длиной примерно от 4 до 10 мм, и высокочастотный приемник с частотой от 100 до 857 ГГц и длиной волн от 0,35 до 1 мм. Собранное излучение на приборы фокусируется системой из двух зеркал – главного, размером 1,9 на 1,5 м, и вторичного, размер которого 1,1 на 1,0 м. Приемники телескопа были охлаждены практически до абсолютного нуля, работая при температуре –273,05 °C, то есть на 0,1 °С выше абсолютного нуля. Наблюдение за небом «Планк» продолжал вплоть до исчерпания в январе 2012 года жидкого гелия, охлаждающего приемники.

Он должен был опровергнуть результаты, полученные WMAP, или, напротив, их подтвердить. И первый анализ полученных данных, проведенный в 2013 году, показал, что «Ось зла» во Вселенной действительно существует. Но на тот момент еще не были опубликованы все полученные космическим аппаратом данные.

И только в прошлом году, опираясь уже на результаты анализа полного набора данных с телескопа, команда исследователей Университетского колледжа Лондона (University College London, UCL) и Имперского колледжа (Imperial College London) установила, что на самом деле никакой «оси» не существует. Данные, полученные с телескопа в период с 2009 по 2013 год, были проанализированы с помощью суперкомпьютера. Результаты анализа показали: Вселенная изотропна.  Исследование британских астрономов было опубликовано в мае 2016 года журналом Physical Review Letters.

В пояснении к результатам исследования, размещенном на сайте колледжа, Даниела объясняет: «Результаты исследования являются лучшим доказательством того, что Вселенная одинакова во всех направлениях. Наше нынешнее понимание устройства Вселенной строится на предположении, что она не предпочитает одно направление другому. Но нужно понимать, что теория относительности Эйнштейна в принципе не отрицает возможность существования несбалансированного пространства. Вселенные, которые вращаются или растягиваются, вполне могут существовать, поэтому очень важно, что в нашем случае это не так. Хотя мы, конечно, не можем полностью исключать этого, но наши вычисления говорят о том, что вероятность этого только один к 121 000».