История исследования реликтового излучения. Что такое реликтовое излучение

> Что такое реликтовое излучение?

Открытие реликтового излучения : значение понятия, теория Большого Взрыва, расширение и карта Вселенной, движение света в пространстве, влияние темной материи.

Реликтовое излучение – послесвечение Большого Взрыва. Это одно из наиболее убедительных доказательств того, что это событие было во Вселенной. Лучше всего его объясняет Нед Райт из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес).

Насколько полезно реликтовое излучение?

«Ну, наиболее полезная информация поступает на низком уровне. Когда я только начинал заниматься астрономией, не было 100% уверенности в достоверности теории Большого Взрыва. Поэтому наличие реликтового излучения в этой теории и отсутствие в конкурирующей заполнило большой пробел в знаниях.

Кроме того, спектр реликтового излучения сильно напоминает черный. Раз это темное тело, то мы можем полагать, что Вселенная плавно переходила от непрозрачности к прозрачности. Дипольная анизотропия микроволнового фона помогает точно определить факт, что мы движемся в пространстве. Одна небесная сторона намного жарче, а вторая холоднее, что намекает на температуру реликтового излучения. При подсчетах выясняется, что мы передвигаемся на десятую часть от процента скорости света – 370 км/с. Так что есть наше движение и передвижение сквозь Вселенную.

Спутник Планка позволил получить больше информации по линиям фонового реликтового излучения. У нас есть разница в 3 милликельвина, то есть различие в температуре пятен составляет +/- 100 микроквинов. Поэтому вам открывается детализированный рисунок области размером в 1.5 градусов. Он создается волновой акустикой, которая формируется из-за возмущения плотности в раннем этапе развития Вселенной. Можно даже проследить, как много времени прошло, прежде чем Вселенная станет прозрачной. И это важная информация, если вы решились изучать такую глобальную отрасль».

Что нам говорит реликтовое излучение и темная материя

«Реликтовое излучение имеет шаблон на шкале в 0.5 градусов, открывая нам эффективную линию позиции, вроде астрономической навигации. Вы измеряете одну звезду с секстантом и получаете линию своего нахождения. Но если смотрите на одну и ту же модель (установка акустической волны), то видите, что в распределении галактик все более локально. Конечно, речь идет об удаленных объектах, но в космологии это локальные территории.

Эти галактики демонстрируют одинаковый волнообразный узор, и вы можете измерить его, сравнить с тем, что наблюдается в прошлом, и получить линию пересечения позиции. Это помогает определить наше место во Вселенной, отыскать и даже подсчитать множество объектов. Также становится ясно, что существует темная энергия, которую никто пока не может понять, но мы знаем, на какие действия она способна. Ведь именно она ускоряет расширение». Вы сможете узнать еще много интересного про реликтовое излучение Вселенной (обнаружение, расширение Вселенной, большой взрыв, красное смещение, аномалии), если посмотрите видео.

Поляризация реликтового излучения

Физик Дмитрий Горбунов об эксперименте BICEP2, стадии инфляции и развитии теории гравитации:

Аномалии реликтового излучения

Астрофизик Олег Верходанов о низких мультиполях, влиянии объектов ближнего космоса на космологические измерения и учете ненайденных источников:

Реликтовое излучение -космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно черного тела с температурой? 2,725K . Реликтовое излучение было предсказано Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории Большого взрыва. Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5K , а Гамов дал предсказание в 3K . Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю Галактики и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной. Ни сам Г. Гамов, ни многие его последователи не ставили вопрос об экспериментальном обнаружении реликтового излучения. По видимому, они считали, что это излучение не может быть обнаружено, так как оно «тонет» в потоках энергии, приносимых на землю излучением звезд и космических лучей.

Возможность обнаружения реликтового излучения на фоне излучения галактик и звезд в области сантиметровых радиоволн была обоснована расчетами А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова, выполненными по предложению Я.Б. Зельдовича в 1964 г., т.е. за год до открытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон построили радиометр Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке прибора выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 K , которую они не могли объяснить. Небольшой шумовой фон не менялся ни от направления, ни от времени работы. Сначала решили, что это шум, свойственный аппаратуре. Радиотелескоп демонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров было задето, и поэтому проверка шла до последней детали, до последней пайки. Устранили все. Собрали снова - шум возобновился. После долгих раздумий теоретики пришли к выводу, что это излучение могло быть ничем иным, как постоянным фоном космического радиоизлучения, заполняющего Вселенную ровным потоком. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорвали куш, парни». Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. Астрофизики рассчитали, что шум соответствует температуре, равной примерно 3 градусам Кельвина, и «прослушивается на различных частотах. В 1978 году Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию за их открытие. Можно себе представить, как возрадовались сторонники «горячей» модели, когда пришло это сообщение. Это открытие не только укрепило позиции «горячей» модели. Реликтовое излучение позволило со ступеньки времени квазаров (8-10 миллиардов лет) опуститься на ступеньку, соответствующую 300 тысячам лет от самого «начала». Одновременно подтверждалась мысль, что некогда Вселенная имела плотность в миллиард раз более высокую, чем сейчас. Известно, что нагретое вещество всегда излучает фотоны. Согласно общим законам термодинамики, в этом проявляется стремление к равновесному состоянию, при котором достигается насыщение: рождение новых фотонов компенсируется обратным процессом, поглощением фотонов веществом, так что полное число фотонов в среде не меняется. Этот «фотонный газ» равномерно заполняет всю Вселенную. Температура газа фотонов близка к абсолютному нулю - около 3 кельвинов, но энергия, содержащаяся в нем, больше световой энергии, испущенной всеми звездами за время их жизни. На каждый кубический сантиметр пространства Вселенной приходится приблизительно пятьсот квантов излучения, а полное число фотонов в пределах видимой Вселенной в несколько миллиардов раз больше полного числа частиц вещества, т.е. атомов, ядер, электронов, из которых состоят планеты, звезды и галактики. Это общее фоновое излучение Вселенной называют с легкой руки И.С. Шкловского, реликтовым, т.е. остаточным, представляющим собой остаток, реликт плотного и горячего начального состояния Вселенной. Предположив, что вещество ранней Вселенной было горячим, Г. Гамов предсказал, что фотоны, которые находились тогда в термодинамическом равновесии с веществом, должны сохраниться в современную эпоху. Эти фотоны и удалось непосредственно обнаружить в 1965 г. Испытав общее расширение и связанное с ним охлаждение, газ фотонов образует сейчас фоновое излучение Вселенной, приходящее к нам равномерно со всех сторон. Квант реликтового излучения не имеет массы покоя, как всякий квант электромагнитного излучения, но обладает энергией, а следовательно, по знаменитой формуле Эйнштейна Е=Мс? , и массой, соответствующей этой энергии. Для большинства реликтовых квантов эта масса очень мала: гораздо меньше массы атома водорода - самого распространенного элемента звезд и галактик. Поэтому, несмотря на значительное преобладание по числу частиц, реликтовое излучение уступает звездам и галактикам по вкладу в общую массу Вселенной. В современную эпоху плотность излучения составляет 3*10 -34 г/см 3 , что приблизительно в тысячу раз меньше усредненной плотности вещества галактик. Но так было не всегда - в далеком прошлом Вселенной фотоны давали главный вклад в ее плотность. Дело в том, что в ходе космологического расширения плотность излучения падает быстрее плотности вещества. В этом процессе убывает не только концентрация фотонов (в том же темпе, что и концентрация частиц), но уменьшается и средняя энергия одного фотона, так как при расширении падает температура газа фотонов. В ходе последующего расширения Вселенной температура плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения. Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чернотельный спектр излучения остаётся чернотельным, уменьшается лишь температура излучения. Пока температура превышала 4000 K , первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до др. был много меньше горизонта Вселенной. При T ? 4000K произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения температура излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт, как «память» о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к микроволновому фоновому излучению: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также почти полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождение микроволнового фонового излучения.

Фоновое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной с «разбегающимися» галактиками, в т. н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с микроволновым фоновым излучением. Действительно, в силу Доплера, эффекта фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с м. ф. и., их энергии равны. Поэтому и температура излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления. Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твердо установлена: в направлении на созвездие Льва температура реликтового излучения на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно м. ф. и. со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно фонового излучения Она составляет?600 км/с. Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти измерения стали наиболее точными на сегодняшний день измерениями спектра абсолютно черного тела. Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 K . Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001% - среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6.706 мК), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы координат, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью? 370 км/с.

В 2006 г. Джону Мазеру и Джорджу Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие ими чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения. Эти результаты были получены на основе измерений, выполненных с помощью спутника COBE, запущенного NASA в 1988 г. Результаты Дж. Мазера и Дж. Смута явились подтверждением происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Крайне малое различие в температуре космического фонового излучения ΔT/T ~ 10 -4 является свидетельством механизма образования галактик и звезд.

Дж. Мазер (р. 1946)

Дж. Смут (р. 1945)

Рис. 52. Чернотельный спектр реликтового излучения.

Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение) было обнаружено в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном. На ранней стадии эволюции Вселенной вещество было в состоянии плазмы. Такая среда непрозрачна для электромагнитного излучения − происходит интенсивное рассеяние фотонов электронами и протонами. Когда Вселенная остыла до 3000 К электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода и среда стала прозрачной для фотонов. В это время возраст Вселенной составлял 300000 лет, поэтому реликтовое излучение дает информацию о состоянии Вселенной в эту эпоху. В это время Вселенная была практически однородной. Неоднородности Вселенной определяются по температурной неоднородности реликтового излучения. Эта неоднородность составляет ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Неоднородности реликтового излучения − свидетели неоднородностей Вселенной: первых звезд, галактик, скоплений галактик. При расширении Вселенной длина волны реликтового излучения увеличилась Δλ/λ = ΔR/R и в настоящее время длина волны реликтового излучения находится в диапазоне радиоволн, температура реликтового излучения T = 2.7 К.

Рис. 53. Анизотропия реликтового излучения. Более темным цветом показаны участки спектра реликтового излучения, имеющие более высокую температуру.

Дж. Мазер: «В начале был Большой взрыв − так мы теперь говорим с большой уверенностью. Спутник СОВЕ, предложенный как проект в 1974 г. в Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и запущенный в 1989 г., предоставил очень сильные свидетельства в пользу этого: космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ, или реликтовое излучение) имеет спектр почти идеального черного тела с температурой
2.725 ±0.001 К, и это излучение изотропно (одинаково во всех направлениях) с относительным среднеквадратичным отклонением не более 10 на миллион на угловых масштабах 7° и более. Это излучение интерпретируется как след чрезвычайно горячей и плотной ранней стадии эволюции Вселенной. В такой горячей и плотной фазе рождение и уничтожение фотонов, а также установление равновесия между ними и со всеми другими формами материи и энергии происходило бы очень быстро по сравнению с характерным масштабом времени расширения Вселенной. Такое состояние немедленно произвело бы чернотельное излучение. Расширяющаяся Вселенная должна сохранять чернотельный характер этого спектра, поэтому измерение любого значительного отклонения от идеального спектра излучения черного тела либо сделало бы несостоятельной всю идею Большого взрыва, либо показало бы, что после быстрого установления равновесия к КМФИ была добавлена какая-то энергия (например, от распада неких первичных частиц). Тот факт, что это излучение изотропно в такой высокой степени является ключевым свидетельством того, что оно происходит от Большого взрыва».

Рис. 54. Роберт Вильсон и Арно Пензиас у антенны, на которой было зарегистрировано реликтовое излучение.

Дж. Смут: «Согласно теории горячей Вселенной, реликтовое излучение является остаточным излучением, сформировавшимся на самых ранних высокотемпературных стадиях эволюции Вселенной во времена близкие к началу расширения современной Вселенной 13,7 млрд. лет назад. Само реликтовое излучение может быть использовано как мощное средство для измерения динамики и геометрии Вселенной. Реликтовое излучение было открыто Пензиасом и Вилсоном в Лаборатории им. Белла в 1964 г.
Они обнаружили постоянное изотропное излучение с термодинамической температурой около 3,2 К. В это же время физики в Принстоне (Дике, Пиблз, Уилкинсон и Ролл) разрабатывали эксперимент по измерению реликтового излучения, предсказываемого теорией горячей Вселенной. Случайное открытие реликтового излучения Пензиасом и Вилсоном открыло новую эру в космологии, положив начало ее превращению из мифа и спекуляций в полноценное научное направление.
Открытие анизотропии температуры космического реликтового излучения произвело переворот в наших представлениях о Вселенной, и его современные исследования продолжают революцию в космологии. Построение углового спектра мощности флуктуаций температуры РИ с плато, акустическими пиками и затухающим высокочастотным концом привело к утверждению стандартной космологической модели, в которой геометрия пространства плоская (соответствует критической плотности), темная энергия и темная материя доминируют и есть лишь немного обычного вещества. Согласно этой успешно подтверждаемой модели, наблюдаемая структура Вселенной сформировалась благодаря гравитационной неустойчивости, которая усилила квантовые флуктуации, порожденные в очень раннюю инфляционную эпоху. Современные и будущие наблюдения проверят эту модель и определят ключевые космологические параметры с выдающейся точностью и значимостью».

Несмотря на применение современных приборов и новейших методов изучения Вселенной, вопрос ее появления все еще остается открытым. В этом нет ничего удивительного, если учесть ее возраст: согласно последним данным, он составляет от 14 до 15 млрд. лет. Очевидно, что с тех пор осталось очень мало свидетельств происходивших когда-то грандиозных процессов Вселенского масштаба. Поэтому утверждать что-либо никто не решается, ограничиваясь гипотезами. Однако одна из них с недавних пор получила весьма существенный аргумент - реликтовое излучение.

В 1964 году два сотрудника одной известной лаборатории, выполнявшие радионаблюдение за спутником «Эхо», имея доступ к соответствующему сверхчувствительному оборудованию, решили проверить некоторые свои теории относительно собственного радиоизлучения определенных космических объектов.

Для того чтобы отсеять возможные помехи от наземных источников, было решено использовать в 7,35 см. Однако после включения и настройки антенны было зарегистрировано странное явление: во всей Вселенной фиксировался некий шум, постоянная фоновая составляющая. Она не зависела ни от положения Земли относительно других планет, что сразу отсеяло предположение о радиопомехах этих ни от времени суток. Ни Р. Вилсон, ни А. Пензиас даже не догадывались, что открыли реликтовое излучение вселенной.

Так как никто из них не предполагал подобного, списывая «фон» на особенности аппаратуры (достаточно вспомнить, что используемая СВЧ-антенна была самой чувствительной в то время), минул почти целый год, пока стало очевидным - регистрируемый шум является частью самой Вселенной. Интенсивность улавливаемого радиосигнала оказалась практически идентичной интенсивности излучения температурой в 3 Кельвина (1 Кельвин равен -273 градуса по Цельсию). Для сравнения: нуль по Кельвину соответствует температуре объекта из неподвижных атомов. находится в пределах от 500 МГц до 500 ГГц.

В это время два теоретика из Принстонского университета - Р. Дикке и Д. Пибблс, основываясь на новых моделях развития Вселенной, математически вычислили, что подобное излучение должно существовать и пронизывать все пространство. Стоит ли говорить, что Пензиас, случайно узнавший о лекциях на эту тему, связался с университетом и сообщил, реликтовое излучение и было зарегистрировано.

Исходя из теории Большого Взрыва, вся материя и возникла в результате колоссального взрыва. Первые 300 тыс. лет после этого пространство представляло собой комбинацию элементарных частиц и излучений. Впоследствии из-за расширения температуры стали падать, что дало возможность появиться атомам. Регистрируемое реликтовое излучение - это отголосок тех далеких времен. Пока вселенная обладала границами, плотность частиц была столь высокой, что излучение оказывалось «связанным», так как масса частиц отражала любые виды волн, не позволяя им распространяться. И лишь после начала образования атомов пространство стало «прозрачным» для волн. Считается, что реликтовое излучение появилось именно так. В настоящий момент в каждом кубическом сантиметре пространства содержится около 500 первоначальных квантов, правда, их энергия уменьшилась почти в 100 раз.

Реликтовое излучение на различных участках Вселенной имеет разную температуру. Это обусловлено расположением первичного вещества в расширяющейся Вселенной. Там, где плотность атомов будущей материи была выше, доля излучения, а значит его температура, уменьшена. Именно в этих направлениях впоследствии образовались крупные объекты (галактики и их скопления).

Изучение реликтового излучения приподнимает завесу неизвестности над многими процессами, происходящими в начале времен.