Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Реликтовое излучение (лат. relictum — остаток), космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Обладает высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,73 К[1].
Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Георгием Гамовым в 1948 году в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.
Термин реликтовое излучение, который обычно используется в русскоязычной литературе, ввёл в употребление советский астрофизик И. С. Шкловский[2].
Содержание
Природа излучения
Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоявшую из электронов, барионов и постоянно излучавшихся, поглощавшихся и вновь излучавшихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией — в первые несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва имели место томсоновское (при энергиях много меньше массы электрона)[3] и комптоновское рассеяние (прямое и обратное, + e + e), а также двойное комптоновское рассеяние (
По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией). Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 380 000 лет[6]. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли. Эти фотоны (в связи с уже идущей рекомбинацией) избежали рассеяния и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться Вселенной. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния[3]. Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.
В результате дальнейшего расширения Вселенной эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля и сейчас составляет всего 2,725 К.
История исследования
Первое случайное обнаружение
В 1941 году, изучая поглощение света звезды Змееносца молекулами CN в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил[7][8], что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения[9]. Теория горячей Вселенной тогда ещё не была создана[10].
Только после открытия реликтового излучения, начиная с 1966 г., были опубликованы работы И. С. Шкловского, Дж. Филда, Дж. Хитчкока, П. Тадеуша и Дж. Вольфа, в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, наблюдавшееся в спектре Змееносца и других звезд, вызвано реликтовым излучением. Таким образом, ещё в 1941 г. было обнаружено, хоть и косвенное проявление реликтового излучения[10].
Предсказание
В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К и оказался прав[11].
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 Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.
Предыстория
В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 3,2 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение[12]. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента»[13].
Открытие
Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов.
В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.
Больше всего на свете я люблю реликтовое излучение, доносящее до нас информацию о первых мгновениях существования Вселенной
В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле[англ.] (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.
Исследование неоднородностей
В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения[15]. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE[16]. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев[17][18][19][20].
Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA COBE, выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.
Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.
14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства[21][22]. Предполагалось, что наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев с возможным продлением полёта на 1 год, и что обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.
Свойства
Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм (см. спектр излучения на рисунке справа). Оно изотропно с точностью до 0,01 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК[источник не указан 523 дня]. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6,706 мК[23]), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчёта, связанной с реликтовым излучением. Красное смещение для реликтового излучения немного превосходит 1000[24].
Плотность энергии реликтового излучения составляет 0,25 эВ/см3[25] (41014 Дж/м3) или 400—500 фотонов/см3[26].
Дипольная анизотропия
Ещё в 1969 году было обнаружено, что в реликтовом излучении заметно выделена дипольная составляющая: в направлении созвездия Льва температура этого излучения на 0,1 % выше, чем в среднем, а в противоположном направлении — на столько же ниже[27]. Этот факт интерпретируется как следствие эффекта Доплера, возникающего при движении Солнца относительно реликтового фона со скоростью примерно 370 км/с в сторону созвездия Льва. Поскольку Солнце обращается вокруг центра Галактики со скоростью ~220-230 км/с в сторону созвездия Лебедя, и также совершает движение относительно центра Местной группы галактик (группы галактик, включающей Млечный Путь)[28], это означает, что Местная группа как целое движется относительно реликтового излучения со скоростью примерно (по современным данным) км/с в направлении точки с галактическими координатами , [29][30] (эта точка располагается в созвездии Гидры[31]).
Существуют и альтернативные теории, которые также могут объяснить выделенность дипольной компоненты реликтового излучения[32].
Отношение к Большому взрыву
Первичная анизотропия
|
|