Космическое микроволновое фоновое излучение считается одним из главных подтверждений теории Большого взрыва. Оно заполняет всю наблюдаемую Вселенную и сохранило информацию о её состоянии примерно через 380 тысяч лет после рождения. Однако в распределении этого излучения есть странная особенность, которую астрономы не могут убедительно объяснить уже много лет.
Речь идёт о так называемой «оси зла». Под этим громким названием скрывается возможное совпадение направлений самых крупных температурных структур реликтового излучения. Ещё необычнее то, что предполагаемая ось приблизительно выровнена относительно Солнечной системы.
История изучения реликтового фона началась в 1964 году. Физик Арно Пензиас и радиоастроном Роберт Вильсон обнаружили постоянный шум, который появлялся в наблюдениях независимо от того, куда направлялась антенна радиотелескопа.
Сначала исследователи решили, что помехи создаёт само оборудование. Они проверили возможные земные источники сигнала и даже очистили антенну от следов голубей, устроивших внутри гнездо. Шум при этом никуда не исчез.
Оказалось, что прибор регистрировал космическое микроволновое фоновое излучение, предсказанное в рамках модели горячей ранней Вселенной. Другие радиоастрономы замечали похожий сигнал и раньше, но не связывали его с космологией. Открытие Пензиаса и Вильсона впоследствии было отмечено Нобелевской премией.
Реликтовое излучение представляет собой остаточный свет молодой Вселенной. По мере расширения космоса его длина волны увеличилась, а температура снизилась примерно до 2,726 кельвина, или около −270 °C.
Почти во всех направлениях температура фона одинакова. Незначительные отклонения соответствуют областям немного большей или меньшей плотности вещества, из которых позднее сформировались галактики и скопления.
Современные космологические модели предполагают, что в достаточно крупном масштабе Вселенная однородна и изотропна. Иными словами, у космоса не должно быть выделенного центра или особого направления. Отдельные участки могут различаться, но после усреднения картина должна выглядеть примерно одинаково в любую сторону.
В целом карты реликтового фона подтверждают подобное представление. Температурные отклонения очень малы и в большинстве случаев распределены так, как предсказывают модели. Однако некоторые особенности выглядят слишком упорядоченными.
Для анализа реликтового излучения астрономы раскладывают карту неба на крупномасштабные компоненты, которые называются мультиполями. Диполь делит небо на две области, квадруполь описывает структуру из четырёх частей, а октуполь из восьми.
При случайном распределении температур оси этих компонентов не должны совпадать. Однако исследователи заметили, что предпочтительные направления квадруполя и октуполя оказываются необычно близкими друг к другу.
В 2005 году подобное выравнивание получило название «ось зла». Авторы термина хотели подчеркнуть, что результат может противоречить статистической изотропности и, следовательно, ставит под сомнение один из основных принципов современной космологии.
Само совпадение двух крупных структур уже вызывает вопросы, но на этом странность не заканчивается. Предполагаемая ось примерно совпадает с плоскостью Солнечной системы и направлением движения Земли вокруг Солнца.
По одну сторону от неё температура реликтового фона оказывается немного выше, а по другую немного ниже. Эффект сохраняется даже после поправок на движение Солнечной системы и Млечного Пути.
Подобная корреляция выглядит крайне подозрительно. Солнечная система занимает ничем не примечательное место в одной из галактик, поэтому у космического фона не должно быть причин ориентироваться относительно её плоскости.
Большинство исследователей не считают наблюдение доказательством того, что Земля занимает особое положение во Вселенной. Более вероятными объяснениями остаются ошибки измерений, особенности обработки данных или влияние источников излучения, расположенных ближе к нам.
Отделить слабый космологический сигнал от локального микроволнового фона сложно. На измерения могут влиять излучение Млечного Пути, пыль, газ, крупные структуры в окрестностях нашей галактики и систематические погрешности приборов.
Даже небольшая ошибка очистки данных способна создать видимое выравнивание на самых крупных масштабах. Чем больше анализируемая структура, тем меньше независимых участков неба доступно для сравнения, поэтому статистическая надёжность таких аномалий оценивается сложнее.
Проблема при этом не исчезла после появления более точных наблюдений. Те же признаки замечали в данных нескольких миссий, включая COBE и WMAP. Однако разные методы обработки дают неодинаковую значимость эффекта, поэтому единого мнения о его природе пока нет.
Ещё одной известной аномалией реликтового фона остаётся холодное пятно, крупная область с температурой ниже средней. Его также пытались объяснить как обычную статистическую флуктуацию, след локальной структуры или признак неизвестных космологических процессов.
Ни холодное пятно, ни ось зла сами по себе пока не опровергают стандартную модель Вселенной. Большая часть наблюдений хорошо согласуется с ней, а отклонения могут оказаться следствием несовершенных данных.
Если будущие измерения подтвердят, что у реликтового фона действительно есть выделенное направление, космологам придётся пересмотреть представления об однородности пространства. Причиной может быть необычная геометрия Вселенной, неизвестный процесс в раннем космосе или крупномасштабная структура, которую существующие модели не учитывают.
Пока ось зла остаётся не новой физической теорией, а нерешённой проблемой обработки и интерпретации наблюдений. Астрономы не знают, существует ли она в самой Вселенной или появляется только на наших картах реликтового излучения.