Откуда взялось реликтовое излучение

Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что использование термина «Вселенная», а также обсуждение её наблюдаемых свойств имеет смысл только начиная с масштабов пространства, превышающих 100 мегапарсек, поскольку до расстояний в сотни мегапарсек ещё прослеживаются такие космические структуры, как скопления галактик (1 парсек = 3,085·1018 см).

Наиболее впечатляющим наблюдательным фактом, говорящим о расширении видимой Вселенной, является закон Хаббла. Как было установлено, все линии в спектрах далёких галактик смещаются в сторону более длинных волн, причём величина этого смещения прямо пропорциональна расстоянию до данной галактики. Поскольку в видимом диапазоне спектрах более длинноволновому излучению соответствует красный свет, это явление называют красным смещением. Красное смещение спектров галактик интерпретируется как результат действия эффекта Доплера, и связано с удалением излучающей галактики от нас. Таким образом, скорость «убегания» всех далёких объектов в космосе увеличивается пропорционально расстоянию до них.

Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием получил название постоянной Хаббла и составляет около 75 (км/с)/Мпк или 2,4·10−18 с−1. Это означает, что с каждым мегапарсеком скорость удаления галактик от нас возрастает примерно на 75 км/с. Расширение Вселенной равномерно и одинаково во всех направлениях. Принимая удаление галактик за расширение всего пространства, можно определить, что расстояние до объектов, удаляющихся от нас со скоростью света (так называемый горизонт Вселенной), составляет около 1,5·1028 см, а общее время, прошедшее с момента начала расширения Вселенной (так называемого Большого взрыва) составляет 13–14 миллиардов лет.

Другим наблюдательным фактом, свидетельствующим о расширении Вселенной, является так называемое реликтовое излучение. Оно было почти случайно открыто в 1965 г. при калибровке радиоаппаратуры, предназначенной для спутниковой связи, и представляет собой слабое фоновое радиоизлучение. Оно приходит к нам равномерно со всех сторон с очень высокой степенью изотропности (до 10−5). То есть, интенсивность излучения, идущего с разных направлений на небе, различается не более, чем на тысячную долю процента. Максимум этого излучения находится на длине волны 1 мм, а в целом его спектр соответствует планковскому распределению энергии при температуре 2,7 кельвина. Никакие известны космические объекты не могли бы создать такое излучение в современную эпоху.

Единственным объяснением этого феномена является излучение самой Вселенной в раннюю эпоху, когда её среда впервые стала прозрачной для излучения. По расчетам, это произошло примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, когда температура вещества составляла около 4000 кельвинов, а плотности — 10−21 г/см3. В ту эпоху электроны и протоны окончательно объединились в атомы, которые, в отличие от свободных заряженных частиц, почти не препятствуют прохождению света. В результате электромагнитное излучение «отделилось» вещества и теперь его кванты приходят к нам, преодолев миллиарды световых лет пути. За прошедшее с тех пор время Вселенная значительно расширилась (примерно в 1000 раз). Вот столько же раз выросла длина волны реликтового излучения и снизилась его температура, достигнув современных значений.