Реликтовое излучение

Астрономические наблюдения показывают, что, помимо отдельных источников излучения в виде звезд и галактик, во Вселенной есть излучение, неразделяемое на отдельные источники - фоновое излучение. Оно наблюдается во всех диапазонах электромагнитного спектра. В основном фоновое излучение есть сумма свечения различных источников (галактик, квазаров, межгалактического газа), настолько далеких, что современные средства астрономических наблюдений пока не могут разделить их суммарное излучение на отдельные слагаемые (вспомним, что и Млечный Путь вплоть до XVII века считался сплошной полосой света, и только в 1610 году Галилео Галилей, рассмотрев его в телескоп, обнаружил, что он состоит из отдельных звезд).

В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили фоновое излучение в микроволновом диапазоне (длина волны от 300 мкм до 50 см, частота от 6·10 8 Гц до 10 12 Гц). На этих частотах электромагнитных волн просто нет источников, которые могли бы дать фоновое излучение такой яркости. Это излучение очень однородно: с точностью до тысячных долей процента его интенсивность постоянна по всему небу. Заметим, что несколько процентов того “снега”, который возникает на экране телевизора на ненастроенном канале, обусловлены как раз микроволновым фоновым излучением.

Главным свойством микроволнового фонового излучения является его спектр (т.е. распределение интенсивности в зависимости от частоты или длины волны), показанный на рис. 5.1.2. Спектр этого излучения в точности ложится на теоретическую кривую, хорошо известную физике - кривую Планка. Спектр такого типа носит название спектра излучения абсолютно черного тела. Такой спектр характерен для полностью непрозрачного нагретого вещества. Температура микроволнового излучения составляет около 3 К (точнее, 2.728 К). Сложением излучений каких-либо источников невозможно добиться того, чтобы получился планковский спектр. Наиболее надежное подтверждение планковского характера спектра реликтового излучения было получено с помощью американского спутника COBE (Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона) в 1992 году.

Уравнение планковской кривой имеет вид

.

(5.1)

Здесь ρ ν - спектральная плотность излучения (энергия излучения, приходящаяся на единичный объем и на единичный интервал частот), ν - частота, h - постоянная Планка, c - скорость света, k - постоянная Больцмана, T - температура излучения.

Микроволновое излучение Вселенной иначе называется реликтовым. Такое название связано с тем, что оно несет в себе информацию о физических условиях, царивших во Вселенной тогда, когда еще не успели образоваться звезды и галактики. Сам факт существования этого излучения говорит о том, что в прошлом свойства Вселенной были существенно иными, чем в настоящее время. Для обоснования этого вывода приведем следующую логическую цепочку.

1. Поскольку спектр реликтового излучения является спектром абсолютно черного тела, это излучение формируется полностью непрозрачным нагретым телом.
2. Поскольку это излучение равномерно приходит к нам со всех сторон, мы со всех сторон окружены каким-то непрозрачным телом.
3. Однако Вселенная - в современном ее виде - почти полностью прозрачна для радиоволн в микроволновом (миллиметровом и сантиметровом) диапазоне. Стало быть, вещество, испускающее это излучение, отстоит от нас намного дальше, чем любые наблюдаемые объекты - галактики, квазары и т.д. Вспоминая принцип “чем дальше в пространстве - тем глубже во времени”, мы приходим к выводу, что Вселенная была полностью непрозрачной в глубоком прошлом, когда еще не образовались звезды и галактики; а раз непрозрачной, значит, очень плотной . Микроволновое фоновое излучение является реликтом, оставшимся от той далекой эпохи.

Отметим, что почти идеальная однородность этого излучения - лучший довод в пользу космологического принципа, в пользу однородности Вселенной на больших масштабах.

Приведем некоторые количественные данные о реликтовом излучении. По закону Вина, температура чернотельного излучения с длиной волны, на которую приходится максимум интенсивности λ max , вычисляется по формуле

Для реликтового излучения λ max =0.1 см. Средняя энергия кванта этого излучения примерно 1.05·10 -22 Дж. В настоящее время в каждом кубическом метре находится примерно 4·10 8 реликтовых фотонов. Это примерно в миллиард раз больше, чем частиц обычного вещества (точнее, протонов; имеется в виду, конечно, средняя плотность).

Изменение температуры реликтового излучения со временем

Для обоснования предположения Гамова об изначально горячем состоянии Вселенной мы привлечем данные о реликтовом излучении. Попытаемся понять, какой была его температура в прошлом. Другими словами, выясним, какую температуру реликтового излучения зафиксировал бы наблюдатель в галактике с красным смещением z. Для этого используем формулу (2.1) λ=λ 0 (1+z), показывающую зависимость длины волны любого (в том числе, реликтового) излучения, путешествующего в межгалактическом пространстве, от красного смещения z, и закон Вина (5.2) T·λ max =0.29 K·см. Комбинируя эти формулы, мы находим, что при красном смещении z температура реликтового излучения T была

Где T 0 =2.728 K - температура в настоящее время (т.е. при z=0). Из этой формулы следует, что раньше температура реликтового излучения была выше, чем сейчас.

Существуют и прямые экспериментальные подтверждения этой закономерности. Группа американских ученых использовала крупнейший в мире телескоп Кек (на Гавайских островах) с зеркалом диаметром 10 метров для получения спектров двух квазаров с красными смещениями z=1.776 и z=1.973. Как выяснили эти ученые, спектральные линии этих объектов показывают, что они облучаются тепловым излучением с температурой 7.4±0.8 К и 7.9±1.1 К соответственно, что находится в прекрасном согласии с температурой реликтового излучения, ожидаемой из формулы (5.3): T(1.776)=7.58 К и T(1.973)=8.11 К. Одновременно, кстати, эти факты дают дополнительный аргумент в пользу того, что микроволновое фоновое излучение приходит к нам из самых глубин Вселенной.

. Георгий Антонович Гамов (1904-1968).

Чем ближе к Большому Взрыву, тем горячее реликтовое излучение. При z~1000 (такое красное смещение соответствует эпохе, отстоящей на 300 тыс. лет от Большого Взрыва) его температура была T~3000 K, причем в каждом кубическом метре находилось около 4·10 17 реликтовых фотонов. Столь мощное излучение должно было ионизовать весь существовавший тогда газ. Итак, в далеком прошлом Вселенной не могло существовать звезд, и все вещество представляло собой плотную горячую непрозрачную плазму .

Именно это утверждение составляет суть теории горячей Вселенной, основы которой заложил выдающийся физик Георгий Антонович Гамов, который родился и получил образование в нашей стране, здесь же стал знаменит как физик, но был вынужден эмигрировать в США в годы сталинских репрессий. Эта теория кратко рассмотрена в настоящем параграфе.

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».

Открытие реликтового излучения Вселенной

Предисловие

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ , космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно чёрного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270°C). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиово́лны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3 . Радиоастроно́мы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновы́м фоновым излучением» (М. ф. и.) cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С. Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Далее мы будем называть это излучение «реликтовым». Открытие в 1965 году реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания двадцатого века и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несёт нам све́дения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней ещё не существовало ни планет, ни звёзд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосфе́рных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого́ рождения Вселенной.

Открытие реликтового излучения

В 1960 году́ в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приёма радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 го́ду для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать её для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приёмным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих из космоса.

В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвёздной среды́ нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пе́нзиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение. Для точного измерения радиоизлучения Галактики необходимо было учесть все возможные помехи, вызываемые излучением земной атмосферы и поверхности Земли, а также помехи, возникающие в антенне, электрических цепях и приемниках.

Предварительные испытания приемной системы показали несколько больший шум, чем ожидалось по расчётам, но казалось правдоподобным, что это связано с небольшим избытком шума в усилительных цепях. Чтобы избавиться от этих проблем, Пензиас и Уилсон использовали устройство, известное как «холодная нагрузка»: сигнал, приходящий от антенны, сравнивается с сигналом от искусственного источника, охлажденного жидким гелием при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля (4 K) . В обоих случаях электрический шум в усилительных цепях должен быть одинаков, и поэтому полученная при сравнении разница дает мощность сигнала, идущего от антенны. Этот сигнал содержит вклады только от антенного устройства, земной атмосферы и астрономического источника радиоволн, попадающего в поле зрения антенны. Пензиас и Уилсон ожидали, что антенное устройство будет давать очень небольшой электрический шум. Однако, чтобы проверить это предположение, они начали свои наблюдения на сравнительно коротких волнах длиной 7,35 см, на которых радиошум от Галактики должен быть пренебрежимо мал. Естественно, некоторый радиошум ожидался на такой длине волны́ и от земной атмосферы, но этот шум должен был иметь характерную зависимость от направления: он должен быть пропорционален толщине атмосферы в том направлении, в каком смотрит антенна: немного меньше в направлении зенита, чуть больше в направлении горизонта. Ожидалось, что после вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не останется никакого существенного сигнала от антенны и это подтвердит, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал. После этого можно будет начать изучение само́й Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение.

Микроволново́й шум

К своему удивлению, Пензиас и Уилсон обнаружили весной 1964 , что они принимают на длине волн 7,35 см довольно заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления. Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости от времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года. Следовательно, это не могло быть излучением Галактики, ибо в этом случае его интенсивность менялась бы в зависимости от того, смотрит антенна вдоль плоскости Млечного Пути или поперек. К тому же, если бы это было излучением нашей Галактики, то большая спиральная галактика М 31 в Андромеде, во многих отношениях похожая на нашу, тоже должна была бы сильно излучать на волне 7,35 см, а этого не наблюдалось. Отсутствие каких-либо вариаций наблюдаемого микроволново́го шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиово́лны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объёма Вселенной. Исследователям было ясно, что необходимо снова проверить, не может ли сама антенна производить больше электрического шума, чем ожидалось. В частности, было известно, что в рупоре антенны угнезди́лась пара голубей. Они были пойманы, отправлены по почте на принадлежащий компании «Белл» участок в Виппани, выпущены на волю, вновь обнаружены несколькими днями спустя на своем месте в антенне, снова пойманы и наконец утихоми́рены более решительными средствами. Однако во время аренды помещения голуби покрыли внутренность антенны тем, что Пензиас назвал «белым диэлектрическим веществом», которое при комнатной температуре могло быть источником электрического шума. В начале 1965 года был демонтирован рупор антенны и вычищена вся грязь, однако это, как и все другие ухищрения, дало очень малое уменьшение наблюдаемого уровня шума.

Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены́, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Оказалось, что пространство излучает так, как будто бы оно нагре́то до температуры 3,5 кельвина (точнее, достигнутая точность позволяла заключить, что «температура космоса» от 2,5 до 4,5 кельвина). Необходимо заметить, что это очень тонкий экспериментальный результат: например, если перед рупором антенны расположить брикет мороженого, то он сиял бы в радиодиапазоне, в 22 млн. раз более ярком, чем соответствующей участок неба. Обдумывая неожиданный результат своих наблюдений, Пензиас и Уилсон не торопились с публикацией. Но события развивались уже помимо их воли. Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелю Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тернера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Фи́лом Пиблслом, работавшим под руководством Роберта Дикке. В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K . Пензиас позвонил Дикке, и обе группы исследователей встретились. Роберту Дикке и его коллегам Ф.Пиблсу, П.Роллу и Д.Уилкинсону стало ясно, что А.Пензиас и Р.Уилсон обнаружили реликтовое излучение горячей Вселенной. Ученые решили одновременно опубликовать два письма в престижном «Астрофизическом журнале» («Astrophysical Journal»). Летом 1965 года были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением при помощи теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убеждённые в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон дали своей заметке скромное название: Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц. Они просто объявили, что «измерения эффективной зенитной температуры шума... дали значение на 3,5 K выше, чем ожидалось», и избежали всяких упоминаний о космологии, за исключением фразы, что «возможное объяснение наблюдаемой избыточной температуры шума дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в сопутствующем письме в этом же выпуске журнала».

В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения. Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 K . Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей. Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965 году. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи. Наиболее точные измерения реликтового излучения проведены из космоса: это эксперимент «Реликт» на советском спутнике «Прогноз-9» (1983–1984) и эксперимент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американском спутнике COBE (Cosmic Background Explorer, ноябрь 1989–1993) Именно последний позволил точнее всего определить температуру реликтового излучения: 2,725 ± 0,002 K .

Уважаемые посетители!

> 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: