Конкретное исследование процессов, происходивших во время Большого взрыва, начал Георгий Гамов, который учился в Санкт-Петербургском университете у Фридмана и впервые завоевал известность своими работами по квантовой физике (туннелирование и альфа-распад). В 1930-х годах он «туннелировал» из Советского Союза и оказался в Соединенных Штатах, где работал в университете Джорджа Вашингтона. Вместе с Гамовым работали его молодые коллеги — Ральф Альфер и Роберт Герман. Они попытались представить, на что была похожа первичная плотная материя, и получили два важных результата: в начальном состоянии вещество должно было быть очень горячим, поэтому сильно излучать; более того, это излучение до сих пор должно окружать нас, хотя оно ослабло и превратилось в бледный отблеск Большого взрыва.

Эти выводы можно понять, если экстраполировать в прошлое те процессы, которые мы видим сейчас. Звезды формируются из газовых облаков. Значит, в прошлом газа в галактиках было гораздо больше, чем звезд. В далеком прошлом галактики целиком должны были состоять из газа. Сегодня мы видим галактики убегающими друг от друга, следовательно, в прошлом молодые чисто газовые галактики должны были прижиматься друг к другу. А еще раньше этот газ до своего расширения должен был быть очень горячим. Когда-то в прошлом этот газ был таким плотным и горячим, что был совершенно непрозрачным. После окончания этой эпохи пространство стало прозрачным. Излучение, испущенное в тот переходный период, до сих пор должно скитаться по пространству, хотя оно уже сильно остыло из-за расширения Вселенной (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Георгий Гамов (1904–1968), автор теории Большого взрыва. С течением времени пространство расширяется, а плотность и температура Вселенной уменьшаются. Рисунок Артура Чернина.

Уже знакомая нам Сесилия Пейн-Гапошкина доказала, что основным веществом в звездах является водород, вторым по обилию — гелий, а на долю всех более тяжелых элементов приходится совсем немного (и в межзвездном газе сохраняется такая же пропорция). Как возникли эти элементы? Гамов стремился объяснить происхождение всех элементов в процессе Большого взрыва. В 1946 году он предположил, что вначале все вещество состояло из нейтронов. При столкновении двух нейтронов может образоваться ядро дейтерия, а далее при его столкновении с еще двумя нейтронами рождается ядро гелия. Гамов считал, что при соответствующих условиях этот процесс может продолжаться до тех пор, пока не возникнут ядра с массами до 250 атомных единиц. Вычисления показали, какая плотность и температура нужны для этого процесса. Альфер и Герман пришли к выводу, что в нашу эпоху остаточное излучение Большого взрыва должно быть похоже на излучение тела, имеющего температуру -268 °C, или 5 К.

Спустя несколько лет стало ясно, что элементы, следующие за гелием, не могут возникать путем захвата нейтрона, так как более сложные ядра при этом разрушаются, превращаясь в более легкие. Более того, наблюдаемое обилие элементов тяжелее гелия может меняться от звезды к звезде в сотню раз. Если бы тяжелые элементы родились с самого начала, то они должны были бы содержаться в одинаковой пропорции всюду во Вселенной, во всех ее звездах. Так что требуется найти другой «котел» для их производства.

В 1956 году Фред Хойл (рис. 24.2) со своим американским коллегой Уильямом Фаулером (1911–1995) и английскими астрономами Маргарет и Джеффри Бербиджами показали, что элементы тяжелее гелия совершенно естественно рождаются в ходе ядерных реакций в горячих недрах звезд. Они вычислили, какое количество каждого элемента образуется на разных стадиях звездной эволюции и какая его часть возвращается в межзвездные газовые облака. Мы уже обсуждали процессы внутри звезд и то, как химические элементы выбрасываются в межзвездное пространство при взрывах сверхновых (см. главу 19). Результат работы Хойла с коллегами оказался замечательным: в этом процессе химические элементы формируются именно в таком соотношении, какое наблюдается в природе.

Рис. 24.2. Фред Хойл (1915–2001) во время своего визита в Финляндию в 1982 году. Фото: Markku Poutanen.

Более того, Хойл вместе с Роджером Тейлером показали, что весь гелий не мог образоваться в звездах. Если бы гелий, составляющий примерно четверть массы каждой звезды, образовался в реакциях термоядерного синтеза в недрах звезд, то их излучение было бы гораздо сильнее той яркости галактик, которая наблюдается. Примерно 90 % гелия должно было образоваться где-то в другом месте. Но если принять во внимание Большой взрыв, то вычисления хорошо согласуются с наблюдаемым количеством гелия.

Как раз в то время, когда в Англии Хойл и Тейлер рассчитывали последствия Большого взрыва, на другом берегу океана, в Принстоне, Роберт Дикке с коллегами начал поиски его остаточного излучения. Молодой член группы Джим Пиблз теоретически оценивал ожидаемые параметры этого излучения, а остальные участники работы создавали измерительные приборы. Но еще до начала их наблюдений это излучение случайно открыли другие. Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лабораторий «Белл» исследовали радиошумы, нарушающие телефонную связь. Они обнаружили, что некоторые шумы приходят из-за пределов Земли, а возможно, даже из-за пределов Галактики. Поэтому телефонная компания «Белл» мало что могла сделать для снижения шума; но все же — где он возникал?

Пензиас случайно услышал о семинаре, на котором незадолго до этого Пиблз рассказал об ожидаемом «эхе» Большого взрыва. Его свойства соответствовали наблюдаемому радиошуму. Так в 1965 году было открыто космическое фоновое излучение. За это открытие Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию (рис. 24.3).

Космическое фоновое излучение распределено по разным длинам волн в соответствии со спектром излучения абсолютно черного тела (рис. 24.4). Как мы уже знаем, этот спектр описывается единственным параметром — температурой. Чем выше температура, тем короче длина волны максимума излучения. Наблюдаемый пик фонового излучения в микроволновом диапазоне соответствует температуре 2,7 К. То, что его спектр в точности соответствует излучению абсолютно черного тела, было надежно доказано в 1992 году американской космической обсерваторией СОВЕ (Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона). За этот результат Джон Мазер и Джордж Смут разделили Нобелевскую премию в 2006 году.

Рис. 24.3. Рупорная антенна, с помощью которой Пензиас и Вильсон обнаружили космическое фоновое излучение.

Как раз такой спектр и должен быть у излучения горячего газа, оставшегося после Большого взрыва. Другой ключ к разгадке природы этого излучения был получен из его распределения по небу: оно оказалось изотропным, то есть приходящим равномерно из всех направлений в пространстве. Излучение немного усиливается (его температура выше) в направлении созвездия Лев, а самая низкая температура наблюдается в противоположной стороне неба. Эта особенность отражает движение Земли сквозь однородное поле излучения. Эффект Доплера делает встречное излучение чуть ярче и теплее, чем излучение, приходящее сзади. Измерение этой неоднородности позволяет определить движение Земли во Вселенной. Точнее, можно измерить скорость планеты относительно этого излучения, которое при своем рождении имело одинаковую интенсивность в разных частях Вселенной и теперь задает уникальную естественную систему координат для измерения движений (не следует путать это с неудачными попытками, предпринятыми в XIX веке, измерить наше абсолютное движение относительно эфира).