Анизотропия на CMB като индикатор за ранната Вселена
Проблемът за структурирането на Вселената
Планковският характер на CMB спектъра е доказателство за съществуването в миналото на състояние на локално термодинамично равновесие (LTE) между квантите и космическата плазма. Това условие дава възможност да се изгради подробна термична история на ранната Вселена с индикация за характерните етапи, когато качественият състав на материята се е променил поради взаимните конверсии на различни видове елементарни частици. Въпреки това, когато се приближаваме към сегашното състояние, балансът между плазмата и радиацията неизбежно трябваше да се срине, тъй като разширяването на Вселената също е източник на охлаждане на материята. Охлаждането на космическата плазма води до необратими промени в нейния състав - свободните електрони се улавят от протоните и образуват неутрални водородни атоми. Този процес играе решаваща роля в динамиката на образуването на CMB анизотропия, тъй като рязкото намаляване на концентрацията на свободните носители на заряд (електрони и протони) "изключва" CMB от взаимодействие с материята. При това спектърът на реликтното излъчване "запазва" в себе си информация за свойствата на повърхността на последното разсейване на кванти от свободни носители на заряд. Какви са свойствата на тази „повърхност“? Този въпрос, въпреки привидната си простота, в продължение на почти 30 години определя вектора на развитие на една от най-бързо прогресиращите области на извънгалактическата радиоастрономия, стимулирайки както теоретични, така и експериментални изследвания. Факт е, че именно свойствата на повърхността на последното разсейване на кванти от електрони са ключът към решаването на най-важния проблем на астрофизиката и всъщност на цялата естествена наука - как и защо различни структурни форми на самоорганизация на материята възникна в разширяващата се Вселена? Корените на този проблем отиват дълбоко в историята на астрономията и физиката, до ерата на Галилео Галилей и Исак Нютон, когато първият, с помощта на обикновен телескоп, значително разширява хоризонтите на космическото изследване, а вторият, след като открил закона за всеобщата гравитация, показал, че небесните тела се движат (и съществуват) поради гравитацията на материята.
През 1946 г. съветският физик Е.М. Лифшиц изучава подробно въпроса за скоростта на гравитационната нестабилност в разширяващата се Вселена. Основните изводи от работата му бяха следните. Всъщност космологичното разширение води до намаляване на скоростта на нарастване на амплитудата на нехомогенностите. Но средната плътност на материята намалява с времето още по-бързо. Следователно, контрастът на плътността се увеличава, макар и с много по-бавен темп, в сравнение с наивния резултат, базиран на идеята на Джеймс Джинс. На пръв поглед чисто количествена разлика - вместо силна, само относително слаба скорост на растеж на колебанията. Зад тази разлика обаче има основни физически последици. И на първо място, структурата във Вселената не е продукт на усилването на обикновените статистически колебания в плътността на материята! Оттук и заключението - за развитието на структури в разширяващата се Вселена нивото на статистически колебания не е достатъчно и следователно в първичната космическа плазма трябва да съществуват малки неравновесни колебания, чието ниво обаче надвишава естествения равновесен фон от десетки порядъци! Нека си припомним, че това е 1946 година. Все още е необходимо да се изчака почти двадесет години преди откриването на реликтовата радиация и почти всичките 50 години преди експерименталното откриване на тези колебания! Нека веднага да подчертаем два проблема, произтичащи от анализа на гравитационната нестабилност в разширяващата се Вселена:
- какъв трябва да бъде естеството на неравновесните колебания и какви са физическите механизми на генериране, макар и слаби в абсолютното измерение, но гигантски, в сравнение със статистическия шум, на първоначалната нехомогенност на Вселената?
- как можем да проверим хипотезата за съществуването на точно такава пред галактическа нередност в разпределението на материята?
Отправната точка за отговора на втория въпрос ще бъде споменатото вече предсказание на теорията за разширяващата се Вселена, че от епохата на рекомбинацията на водорода до настоящия момент реликтовото лъчение се разпространява в пространството свободно, без никакво пряко взаимодействие с материята. Въпреки това, при наличие на слаба (на ниво хилядни от процента) нехомогенност в разпределението на материята, този процес е „оцветен“ от две важни допълнения. На първо място, нехомогенностите на прегалактическата плътност в епохата на водородната рекомбинация се движат спрямо реликтното излъчване с хаотични скорости. В резултат на това отделянето на плазмата от радиацията в епохата на рекомбинацията се случва малко по различен начин в различни точки от пространството поради влиянието на полето на флуктуацията. Когато плътността на материята е малко по-висока от средната, хаотичните скорости на плазменото движение също са по-високи. Квантите на излъчване, изпитващи "последното разсейване" от електрони в зоната на нехомогенността, придобиват допълнителен импулс (и следователно енергия).