Небесная Ось Зла (Часть 1/2)

Пылинка в бесконечных сотах бескрайней космической паутины.

Но теперь Вселенная, кажется, решила над нами посмеяться. Представьте, что весь этот исполинский космический механизм почему-то знает о существовании Солнца и Земли. На самых огромных масштабах, вплоть до границ наблюдаемого космоса, прочерчена невидимая генеральная ось Вселенной, и она, вопреки логике и здравому смыслу, проходит прямо через наш дом. Это звучит как безумие: почему параметры системы, заложенные в момент рождения Вселенной 13,8 миллиарда лет назад, должны подгоняться под положение какой-то рядовой звезды, и под плоскость орбиты какой-то рядовой планеты? Мы словно снова оказались в центре мироздания, из которого нас так долго и упорно гнали.

У Вселенной есть память. Или, если угодно, лог-файл самой первой загрузки системы, который физики называют реликтовым излучением. Первые 375 тысяч лет после Большого взрыва мир был абсолютно непроницаем для света. Вселенная представляла собой раскалённую плазму — ревущий океан частиц, в котором фотоны не могли пролететь и миллиметра, не врезавшись в свободный электрон. Космос был горячим, плотным и слепым.

Но Вселенная продолжала расширяться, температура плазмы падала. Когда она опустилась до 3000 градусов, произошла так называемая рекомбинация: электроны наконец-то нашли свои протоны, успокоились и объединились в стабильные атомы водорода. И туман первых трёхсот тысячелетий этого мира рассеялся. Фотоны, до этого запутавшиеся в тесной плазменной паутине, получили свободу и рванули во все стороны. Это была вспышка немыслимой по нынешним меркам яркости — первый кадр в истории мира, запечатлевший распределение материи в момент, когда Вселенная обрела прозрачность.

Миллиард лет пролетал за миллиардом, первая вспышка в истории мира тускнела, а её температура падала. Если в начале все небо Вселенной светилось как лампа 3000K, то за 13,8 млрд лет расширение Вселенной растянуло длину волны фотонов в 1100 раз, сдвинув их из оптического диапазона в радиоволны. Ещё в 1948 году Георгий Гамов предсказал: космос до сих должен светиться, только уже в радиодиапазоне, с температурой около пяти градусов выше абсолютного нуля.

Эта догадка пылилась на полках шестнадцать лет. В 1964 году в Принстоне группа Роберта Дикке уже дописывала статью о возможном слабом сигнале космоса и планировала эксперимент, чтобы его обнаружить. А в тридцати милях от них, в Холмделе, Арно Пензиас и Роберт Вильсон пытались наладить свою антенну и никак не могли избавиться от фонового шипения. Они ползали внутри стального шестиметрового рупора с щётками, выскребая «белый диэлектрический материал» — горы голубиного помёта. Они прогнали птиц, привели антенну в порядок, перебрали схему приемника, но шипение не исчезало. Случайный разговор Пензиаса с астрономом Бернардом Бёрком вывел его на группу Дикке. Они позвонили к нему в Принстон, чтобы обсудить возможный источник помех, и Дикке всё понял мгновенно. Нобелевская премия уплыла к инженерам Bell Labs, которые просто хотели наладить антенну, а услышали эхо рождения мира.

Самое поразительное в этом шуме было то, что он был везде. Куда бы Пензиас и Вильсон ни направляли свою антенну — на Нью-Йорк, чтобы проверить, не фонит ли мегаполис, на полосу Млечного Пути или в пустоту между звёздами — сигнал оставался неизменным. Они даже следили за фоном в течение года, чтобы убедиться, что он не меняется при движении Земли вокруг Солнца. Нет, это было постоянное, идеально ровное шипение со всех сторон, с температурой около 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Сегодня мы называем это изотропией Вселенной, и это фундамент всей современной космологии: Вселенная однородна и одинакова во всех направлениях. Реликтовое излучение должно было быть идеальным «белым шумом», не имеющим никакой структуры.

Но была одна проблема: если бы Вселенная была идеально гладкой, нас бы не существовало. Гравитации было бы просто не за что «зацепиться», чтобы собрать идеально рассеянный водород в облака и первые звезды. Еще Стивен Хокинг писал, что в этом однообразном шипении обязаны быть «семена» будущих миров. Крошечные, на грани погрешности, неоднородности, которые на карте реликтового фона должны выглядеть как едва заметные пятна, отличающиеся по температуре, может быть, всего на миллионные доли градуса, но они должны быть.

Выявить эти тепловые неоднородности антеннами 60-х годов было все равно, что пытаться разглядеть рельеф монетки на дне океана сквозь толщу воды. Доказать их существование удалось лишь в 1992 году с помощью зонда COBE. Ученые получили первую картинку реликтового излучения — размытое изображение небесной сферы с розовыми и голубыми зонами разных температур. Первая карта была, мягко говоря, крупномасштабной: её угловое разрешение составляло 7 градусов. Для сравнения: полная Луна на нашем небе занимает всего 0,5 градуса. Это значит, что один-единственный пиксель на карте COBE мог бы целиком накрыть четырнадцать полных Лун. Но даже такой результат ошеломлял. Руководитель миссии Джордж Смут тогда не сдержался и заявил на пресс-конференции: «Для верующего человека это всё равно что увидеть лицо Бога». Космологический принцип был подтвержден: микроскопические неоднородности в первичном водородном облаке действительно существовали, став центрами будущих звёзд.

В 2003 году аппарат WMAP, выдал первую полную карту с разрешением 0,23 градуса — в 30 раз чётче, чем у COBE. И на этой улучшенной карте стали заметны странности, которые трудно было списать на простую статистическую флуктуацию. Во-первых, это так называемое Холодное пятно в созвездии Эридана — область с аномально низкой температурой, размеры которой не вписывались в стандартные модели. Во-вторых, обнаружилась асимметрия полушарий: в одной части неба температурные колебания были как будто выражены сильнее, чем в другой. Согласно теории, Вселенная должна быть однородной, и такие перекосы выглядели как ошибка. Многие исследователи поначалу считали их погрешностями в алгоритмах обработки данных. Предполагалось, что с ростом точности измерений эти артефакты пропадут.

Но запущенный в 2009 году аппарат Planck ситуацию не изменил. Обладая чувствительностью в 10 раз выше, чем WMAP, он подтвердил, что и Холодное пятно, и асимметрия полушарий — это не инструментальные ошибки, а реальные физические особенности реликтового фона.

финальная карта реликтового излучения с аномалиями (см. фото 5)

Что делает ученый, когда ему в руки попадает любопытный сигнал? Он его раскладывает на частоты. Это база любого анализа: если хотите понять, как работает сложная система, нужно разобрать её на детали. Когда вы слышите аккорд, ваше ухо воспринимает его целиком, но математика видит в нем набор чистых синусоид. Любой сложный сигнал — от рева турбины до шепота — можно представить как сумму синусоид с разными амплитудами и фазами. Это называется рядом Фурье.

Разложив сигнал в спектр, можно понять, какая именно деталь в механизме начала вибрировать неправильно. С изображениями всё аналогично. Большинство фотографий и видео на экране — от браузерных JPEG до стриминга Netflix — прошло через дискретное косинус-преобразование, DCT: именно на нём строятся форматы JPEG, H.264 и HEVC. Картинка разбивается на блоки, и каждый из них раскладывается на набор базовых геометрических узоров. Мы отсекаем мелкую случайную рябь и оставляем только низкочастотные структуры. По сути, космологи делают то же самое: они разлагают карту реликтового фона на частоты, отсекают высокочастотный шум и смотрят, что осталось в сухом остатке на самых низких гармониках.

Но Вселенная — это не аудиозапись и не плоская фотография. Реликтовое излучение окружает нас со всех сторон, оно натянуто на небесную сферу, как та многострадальная сова. Поэтому космологи используют трехмерный аналог ряда Фурье — сферические гармоники (Y_{lm}). Любое распределение температуры на сфере можно представить как сумму таких волн, которые называют мультиполями (l):

Каждый номер l отвечает за свой масштаб узора: угловой размер пятна на небе примерно равен 180^circ / l. Монополь (l=0) — это усредненный фон Вселенной со температурой 2,7К. Диполь (l=1) — самый крупный узор из двух полушарий. А дальше идут более сложные обертоны — квадруполь (l=2) и октуполь (l=3), разбивающие небо на 4 и 8 температурных зон. Для современных карт миссии Planck разложение идет до мультиполя номер 2500, что дает более 6 миллионов коэффициентов a_{lm}. Каждое такое число — комплексное: его модуль показывает, насколько сильно выражена структура, а аргумент — под каким углом она повернута на небе.

Разложение карты в спектр (см. фото 8)

Первое, что видит любой радиотелескоп — это диполь. Карта выглядит как двухцветный шар: одно полушарие теплее, другое — холоднее. Но это не структура Вселенной, а наш собственный «спидометр». Мы движемся относительно реликтового фона со скоростью около 370 км/с в сторону созвездий Чаши и Льва. Фотоны, летящие нам в лицо, из-за эффекта Доплера кажутся горячее (примерно на 3,36 микрокельвинов), а догоняющие из созвездия Водолея — холоднее.

Дипольный сигнал от нашего собственного движения имеет амплитуду порядка 10^{-3} от средней температуры неба, тогда как собственные флуктуации реликтового фона — всего 10^{-5}. То есть наше движение дает сигнал в сотню раз сильнее, и он маскирует тонкие эффекты. Это первая и самая грубая «засветка» неба, которую ученые должны вычесть, прежде чем копать глубже.

Но польза от него есть — по нему можно вычислить нашу абсолютную, а не относительную скорость в самой надежной системе отсчета, которая никуда не движется. Земля летит по орбите вокруг Солнца (30км/с), Солнце летит по орбите вокруг центра Млечного Пути (220 км/с), Млечный Путь падает на Андромеду (110-130 км/c), та летит внутри сверхскопления Девы, сверхскопление движется в тёмном потоке в сторону Великого Аттрактора и так далее. Суммарно мы летим относительно реликтового фона со скоростью 369 pm 0.9км/с . Это и есть наша «абсолютная скорость» в космосе,

Ученые аккуратно вычитают этот диполь, а заодно и излучение пыли Млечного Пути (нагретая звёздами Млечного Пути пыль сама излучает в микроволновом диапазоне). После того как карта очищена от локальных искажений и галактического фона, анализу подвергаются самые крупномасштабные моды — низкочастотные компоненты спектра.