Читать книгу "Гонка за Нобелем - Брайан Китинг"

Электромагнитные волны видимого светового и микроволнового диапазона, как и полагается волнам, колеблются при движении со скоростью света. С этими колебаниями и связана поляризация. Направление колебаний всегда перпендикулярно направлению светового луча (рис. 23). Характер поляризации звездного света может многое рассказать о том, что происходило со светом по пути от звезды к телескопу. Сегодня ученые строят специальные устройства — поляриметры, которые измеряют различия в интенсивности света в плоскости, перпендикулярной направлению движения света. Телескоп BICEP2, по сути, тоже поляриметр.

Не весь свет поляризован. Горячие светящиеся объекты, такие как лампы накаливания или Солнце, излучают преимущественно неполяризованный свет, поскольку электроны внутри этих объектов колеблются в случайных направлениях. Неполяризованный свет, такой как солнечный, может стать поляризованным при отражении от поверхности, скажем, океана. Горизонтальная поверхность океана поглощает световые лучи, которые поляризованы вертикально, т. е. перпендикулярно поверхности. Световые лучи, поляризованные в горизонтальной плоскости, частично отражаются. В результате неполяризованный солнечный свет после отражения становится поляризованным.

Другой способ сделать неполяризованный свет поляризованным — пропустить его через специальный фильтр. Такое устройство называют поляризатором: оно избирательно поглощает один из поляризованных компонентов, а другие беспрепятственно пропускает. Поляризационные солнцезащитные очки делают именно это: они поглощают свет, отражающийся от поверхностей, например от снега или океана, и, устраняя слепящие солнечные блики, позволяют вам видеть гораздо лучше и четче (рис. 24).

В чем сущность пыли?

Астрономы предполагали, что у красного смещения света звезд и его поляризации может быть один хорошо известный виновник: пыль.

Модель квазистационарной Вселенной Хойла требовала много пыли, причем не только внутри нашей Галактики, но и по всему пространству между всеми галактиками, рожденными в течение 500 млрд лет текущего цикла. И это не могла быть просто пыль. Чтобы преобразовать звездный свет ранней Вселенной в наблюдаемое реликтовое излучение, крупицы пыли должны представлять собой так называемые «волоски» — крошечные цилиндрики длиной меньше миллиметра. И они должны состоять из металла или, по крайней мере, включать металлические вкрапления{11}.

Металлические волоски Хойла вели себя как бесчисленные крошечные компасные иголки. Они легко выравнивались под действием магнитных полей, пронизывающих космическое пространство, и собирались в плотные облака, которые, подобно «космическим вышибалам», пропускали через себя только свет, поляризованный перпендикулярно к их ориентации, и задерживали свет, поляризованный вдоль их продольных осей (рис. 25){12}. Этот отраженный свет мотался между частицами пыли, как пьяница от бара к бару. В конце концов он приходил к тепловому равновесию с характеристической температурой, определяемой формой и составом пылевых волосков.

Таким образом, модель квазистационарного состояния не только объясняла происхождение реликтового излучения, но и показывала причины поляризации звездного света. Казалось, Хойл находится в одном шаге от того, чтобы подтвердить коперниканский принцип, повергнуть в прах модель Большого взрыва и предсказать точную температуру реликтового излучения. И, что самое потрясающее, Хойл сделал все это, исходя из основных принципов, используя материю с обычной плотностью и обычной температурой, а не бесконечные величины, которых требовала модель Большого взрыва. Единственное, чего не хватало модели Хойла, — это источника волосков. Что могло произвести на свет эти магические пылевые волоски?

Хойл снова не разочаровал. Он был космическим алхимиком: в его Вселенной послушные ему звезды могли делать все, что он пожелает{13}. Физическое сообщество уже признало, что все тяжелые элементы периодической таблицы возникли внутри звезд. По сути, звезда — это ядерный реактор, в котором легкие элементы (например, водород) соединяются в более тяжелые элементы (например, гелий). Процесс ядерного синтеза сопровождается выделением огромного количества энергии в виде тепла. Это тепло создает давление, которое противодействует колоссальной гравитационной силе, стремящейся сжать звезду. Гелий, в свою очередь, сливается в более тяжелые ядра, такие как углерод, и т. д. Но когда в достаточно массивной звезде заканчиваются запасы более легких элементов и начинается ядерный синтез железа, то не остается избыточной тепловой энергии, противодействующей сжатию. Звезда схлопывается, создавая ударную волну, которая выбрасывает железо и другие тяжелые элементы в окружающую межзвездную среду, и в результате образуется так называемая сверхновая II типа (рис. 26) {14}.

Межзвездная среда — так называется все, что находится между звездами, — очень холодное и пустое пространство. В ней расплавленное железо конденсируется в твердые частицы. Обширные свидетельства этого процесса мы можем видеть и на Земле. Каждый день на нашу планету оседают тонны микрометеоритов, многие из которых при увеличении оказываются крошечными железными волосками, которые, как считают ученые, образовались в ходе взрывов сверхновых (рис. 27) {15}.

Если частицы пыли действительно состоят из железа, как и многие метеориты, значит, они обладают магнитными свойствами и магнитные поля Млечного Пути должны упорядочивать их. Конечно, микрометеориты имеют не межзвездную, а межпланетную природу{16}. Но эта техническая деталь не волновала ученых, когда они поняли, что можно произвести похожие металлические волоски в лабораториях{17}. А приступив к делу, они обнаружили, что лабораторная пыль обладает свойствами, поразительно похожими на свойства ее космической сестры. И, что было лучше всего, почти в каждой известной астрономам галактике имелись триллионы тонн пыли со свойствами, которых требовали расчеты Хойла, и значительные массы такой пыли были выброшены взрывами в межгалактическое пространство{18}.

Даже после открытия реликтового излучения в 1965 году большинство космологов сомневались в «начальной сингулярности», на которую опиралась модель Большого взрыва. Но никто не сомневался в существовании пыли. И никто не сомневался в реальности вспышек сверхновых звезд. Все компоненты, необходимые для преобразования видимого света звезд в космическое микроволновое излучение, были на месте{19}. Хойл и его команда произвели необходимые детальные расчеты и обнаружили, что их модель предсказывала температуру реликтового излучения ровно в 2,7 кельвина{20}. Они победили.