Реліктове випромінювання містить інформацію про стан всесвіту. Гіпотеза освіти Всесвіту

Космічне електромагнітне випромінювання, що приходить на Землю з усіх боків піднебіння приблизно з однаковою інтенсивністю і має спектр, характерний для випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі близько 3 К (3 градуси за абсолютною шкалою Кельвіна, що відповідає -270 ° С). За такої температури основна частка випромінювання посідає радіохвилі сантиметрового і міліметрового діапазонів. Щільність енергії реліктового випромінювання 0,25 еВ/см3.
Радіоастрономи-експериментатори вважають за краще називати це випромінювання "космічним мікрохвильовим фоновим випромінюванням" cosmic microwave background, CMB). Астрофізики-теоретики часто називають його «реліктовим випромінюванням» (термін запропонований російським астрофізиком І.С.Шкловським), оскільки в рамках загальноприйнятої сьогодні теорії гарячого Всесвіту це випромінювання виникло на ранньому етапі розширення нашого світу, коли його речовина була практично однорідною і дуже гарячою. Іноді у науковій та популярній літературі можна також зустріти термін «триградусне космічне випромінювання». Далі ми називатимемо це випромінювання «реліктовим».
Відкриття в 1965 р. реліктового випромінювання мало велике значення для космології; воно стало одним із найважливіших досягнень природознавства 20 ст. і, безумовно, найважливішим для космології після відкриття червоного усунення в спектрах галактик. Слабке реліктове випромінювання несе нам відомості про перші миті існування нашого Всесвіту, про ту далеку епоху, коли весь Всесвіт був гарячим і в ньому ще не існувало ні планет, ні зірок, ні галактик. Проведені останніми роками детальні виміри цього випромінювання з допомогою наземних, стратосферних і космічних обсерваторій відкривають завісу над таємницею народження Всесвіту.
Теорія гарячого Всесвіту.У 1929 американський астроном Едвін Хаббл (1889-1953) відкрив, що більшість галактик віддаляється від нас, причому тим швидше, чим далі розташована галактика (закон Хаббла). Це було інтерпретовано як загальне розширення Всесвіту, яке почалося приблизно 15 млрд років тому. Постало питання про те, як виглядав Всесвіт у далекому минулому, коли галактики тільки почали віддалятися один від одного, і навіть ще раніше. Хоча математичний апарат, заснований на загальній теорії відносності Ейнштейна і описує динаміку Всесвіту, був створений ще в 1920-і роки Віллемом де Сіттером (1872-1934), Олександром Фрідманом (1888-1925) та Жоржем Леметром (1894-19) стан Всесвіту в ранню епоху її еволюції нічого не було відомо. Не було навіть упевненості, що в історії Всесвіту існував певний момент, який можна вважати «початком розширення».
Розвиток ядерної фізики в 1940-і роки дозволило розпочати розробку теоретичних моделей еволюції Всесвіту у минулому, коли її речовина, як передбачалося, була стиснута до високої щільності, за якої були можливі ядерні реакції. Ці моделі, перш за все, повинні були пояснити склад речовини Всесвіту, який на той час вже був досить надійно виміряний за спостереженнями спектрів зірок: у середньому вони складаються на 2/3 з водню та на 1/3 з гелію, а решта хімічних елементів разом узяті становлять трохи більше 2%. Знання властивостей внутрішньоядерних частинок - протонів і нейтронів - дозволяло розраховувати варіанти початку розширення Всесвіту, що відрізняються вихідним вмістом цих частинок і температурою речовини і випромінювання, що знаходиться з ним у термодинамічній рівновазі. Кожен із варіантів давав свій склад вихідної речовини Всесвіту.
Якщо опустити деталі, то існують дві принципово різні можливості для умов, у яких протікало початок розширення Всесвіту: її речовина могла бути холодною або гарячою. Наслідки ядерних реакцій у своїй докорінно відрізняються друг від друга. Хоча ідею про можливість гарячого минулого Всесвіту висловлював ще у своїх ранніх роботах Леметр, історично першою у 1930-ті роки було розглянуто можливість холодного початку.
У перших припущеннях вважалося, що вся речовина Всесвіту існувала спочатку у вигляді холодних нейтронів. Пізніше з'ясувалося, що таке припущення суперечить спостереженням. Справа в тому, що нейтрон у вільному стані розпадається в середньому за 15 хвилин після виникнення, перетворюючись на протон, електрон та антинейтрино. У Всесвіті, що розширюється, виникли протони стали б з'єднуватися з ще нейтронами, що залишилися, утворюючи ядра атомів дейтерію. Далі ланцюжок ядерних реакцій призвів би до утворення ядер атомів гелію. Більш складні атомні ядра, як свідчать розрахунки, у своїй мало виникають. У результаті вся речовина перетворилася б на гелій. Такий висновок знаходиться в різкій суперечності зі спостереженнями зірок та міжзоряної речовини. Поширеність хімічних елементів у природі відкидає гіпотезу про початок розширення речовини як холодних нейтронів.
У 1946 США «гарячий» варіант початкових стадій розширення Всесвіту запропонував фізик російського походження Георгій Гамов (1904-1968). У 1948 була опублікована робота його співробітників - Ральфа Альфера і Роберта Хермана, в якій розглядалися ядерні реакції в гарячій речовині на початку космологічного розширення з метою отримати співвідношення між кількістю різних хімічних елементів та їх ізотопів. У роки прагнення пояснити походження всіх хімічних елементів їх синтезом у перші миті еволюції речовини було природним. Справа в тому, що тоді помилково оцінювали час, що пройшов з початку розширення Всесвіту, лише у 2-4 млрд. років. Це було з підвищеним значенням постійної Хаббла, що випливав у роки з астрономічних спостережень.
Порівнюючи вік Всесвіту в 2-4 млрд. років з оцінкою віку Землі - близько 4 млрд. років, - доводилося припускати, що Земля, Сонце та зірки утворилися з первинної речовини з уже готовим хімічним складом. Вважалося, що це склад не змінився скільки-небудь істотно, оскільки синтез елементів у зірках - процес повільний і його здійснення перед утворенням Землі та інших тіл не було часу.
Подальший перегляд шкали позагалактичних відстаней призвів і до перегляду віку Всесвіту. Теорія еволюції зірок успішно пояснює походження всіх важких елементів (важче гелію) їх нуклеосинтезом у зірках. Відпала необхідність пояснювати походження всіх елементів, включаючи і важкі, на ранній стадії розширення Всесвіту. Однак суть гіпотези гарячого Всесвіту виявилася вірною.
З іншого боку, вміст гелію в зірках та міжзоряному газі становить близько 30% за масою. Це набагато більше, ніж можна пояснити ядерними реакціями у зірках. Значить гелій, на відміну важких елементів, повинен синтезуватися на початку розширення Всесвіту, але при цьому - в обмеженій кількості.
Основна ідея теорії Гамова якраз і полягає в тому, що висока температура речовини перешкоджає перетворенню всієї речовини на гелій. У момент 0,1 с після початку розширення температура була близько 30 млрд. K. У такій гарячій речовині є багато фотонів великої енергії. Щільність та енергія фотонів настільки великі, що відбувається взаємодія світла зі світлом, що призводить до народження електронно-позитронних пар. Анігіляція пар може призводити до народження фотонів, а також до виникнення пар нейтрино і антинейтрино. У цьому «вирує котлі» знаходиться звичайна речовина. За дуже високих температур не можуть існувати складні атомні ядра. Вони були моментально розбиті оточуючими енергійними частинками. Тому важкі частинки речовини існують у вигляді нейтронів та протонів. Взаємодії з енергійними частинками змушують нейтрони та протони швидко перетворюватися один на одного. Однак реакції з'єднання нейтронів з протонами не йдуть, оскільки ядро ​​дейтерію, що виникає при цьому, відразу розбивається частинками великої енергії. Так, через велику температуру на самому початку обривається ланцюжок, що веде до утворення гелію.
Тільки коли Всесвіт, розширюючись, охолоджується до температури нижче мільярда кельвінів, деяка кількість дейтерію, що виникає, вже зберігається і призводить до синтезу гелію. Розрахунки показують, що температуру та щільність речовини можна узгодити так, щоб до цього моменту частка нейтронів у речовині становила близько 15% за масою. Ці нейтрони, поєднуючись з такою ж кількістю протонів, утворюють близько 30% гелію. Інші важкі частки залишилися як протонів - ядер атомів водню. Ядерні реакції закінчуються після перших п'яти хвилин після початку розширення Всесвіту. Надалі, у міру розширення Всесвіту, температура її речовини та випромінювання знижується. З робіт Гамова, Альфера і Хермана 1948 року випливало: якщо теорія гарячого Всесвіту передбачає виникнення 30% гелію і 70% водню як основних хімічних елементів природи, то сучасний Всесвіт неминуче повинен бути заповнений залишком («реліктом») первісного гарячого випромінювання цього реліктового випромінювання має бути близько 5 K.
Проте на гіпотезі Гамова аналіз різних варіантів початку космологічного розширення закінчився. На початку 1960-х років дотепна спроба знову повернутися до холодного варіанту була здійснена Я.Б.Зельдовичем, які припустив, що початкова холодна речовина складалася з протонів, електронів і нейтрино. Як показав Зельдович, така суміш при розширенні перетворюється на чистий водень. Гелій та інші хімічні елементи, згідно з цією гіпотезою, синтезувалися пізніше, коли утворилися зірки. Зауважимо, що до цього моменту астрономи вже знали, що Всесвіт у кілька разів старший за Землю і більшість зірок, що оточують нас, а дані про велику кількість гелію в дозоряній речовині були в ті роки ще дуже невизначеними.
Здавалося б, вирішальним тестом для вибору між холодною та гарячою моделями Всесвіту міг стати пошук реліктового випромінювання. Але чомусь довгі роки після пророкування Гамова та його колег ніхто свідомо не намагався виявити це випромінювання. Відкрито воно було випадково в 1965 радіофізиками з американської компанії «Белл» Р.Вілсоном і А.Пензіасом, нагородженими в 1978 Нобелівською премією.
На шляху виявлення реліктового випромінювання.У 1960-х років астрофізики продовжували теоретично вивчати гарячу модель Всесвіту. Обчислення очікуваних характеристик реліктового випромінювання було виконано в 1964 А.Г.Дорошкевичем та І.Д.Новіковим у СРСР і незалежно Ф.Хойлом та Р.Дж.Тейлором у Великій Британії. Але ці роботи, як і попередні роботи Гамова з колегами, не привернули до себе уваги. А в них уже було переконливо показано, що реліктове випромінювання можна спостерігати. Незважаючи на крайню слабкість цього випромінювання в нашу епоху, воно, на щастя, лежить у галузі електромагнітного спектру, де всі інші космічні джерела в цілому випромінюють ще слабше. Тому цілеспрямований пошук реліктового випромінювання мав призвести до його відкриття, але радіоастрономи не знали про це.
Ось що сказав А.Пензіас у своїй нобелівській лекції: «Перше опубліковане визнання реліктового випромінювання як виявлене явище в радіодіапазоні з'явилося навесні 1964 року в короткій статті А.Г.Дорошкевича та І.Д.Новікова, озаглавленої Середня щільність випромінювання в Метагалактиці та деякі питання релятивістської космології. Хоча англійський переклад з'явився в тому ж році, але дещо пізніше, у широко відомому журналі «Радянська фізика – Доповіді», стаття, мабуть, не привернула до себе уваги інших фахівців у цій галузі. У цій чудовій статті не лише виведено спектр реліктового випромінювання як чорнотільного хвильового явища, але також виразно сконцентровано увагу на двадцятифутовому рупорному рефлекторі лабораторії «Белл» у Кроуфорд-Хілл, як на найбільш підходящому інструменті для його виявлення!» (Цит. по: Шаров А.С., Новіков І.Д. Людина, яка відкрила вибух Всесвіту: Життя і працю Едвіна ХабблаМ., 1989).
На жаль, ця стаття залишилася непоміченою ні теоретиками, ні спостерігачами; вона стимулювала пошук реліктового випромінювання. Історики науки досі гадають, чому довгі роки ніхто не намагався свідомо шукати випромінювання гарячого Всесвіту. Цікаво, що повз це відкриття - одного з найбільших до 20 ст. - Вчені пройшли кілька разів, не помітивши його.
Наприклад, реліктове випромінювання могло бути відкрито ще 1941 року. Тоді канадський астроном Е. Мак-Келлар аналізував лінії поглинання, що викликаються в спектрі зірки Дзета Змієносця міжзоряними молекулами ціана. Він дійшов висновку, що ці лінії у видимій області спектру можуть виникати тільки при поглинанні світла молекулами ціана, що обертаються, причому їх обертання має збуджуватися випромінюванням з температурою близько 2,3 К. Звичайно, ніхто не міг подумати тоді, що збудження обертальних рівнів цих молекул викликається реліктовим випромінюванням. Лише після його відкриття в 1965 були опубліковані роботи І. С. Шкловського, Дж. Філда та ін, в яких показано, що порушення обертання міжзоряних молекул ціана, лінії яких чітко спостерігаються в спектрах багатьох зірок, викликане саме реліктовим випромінюванням.
Ще драматичніша історія відбулася в середині 1950-х років. Тоді молодий вчений Т.А.Шмаонов під керівництвом відомих радянських радіоастрономів С.Е.Хайкіна та Н.Л.Кайдановського провів вимірювання радіовипромінювання з космосу на довжині хвилі 32 см. Ці вимірювання були виконані за допомогою рупорної антени, подібної до тієї, яка була використана через багато років Пензіасом і Вілсоном. Шмаонов з усією ретельністю вивчив можливі перешкоди. Звичайно, у його розпорядженні тоді ще не було таких чутливих приймачів, які з'явилися згодом в американців. Результати виміру Шмаонова були опубліковані в 1957 р. у його кандидатській дисертації та в журналі «Прилади та техніка експерименту». Висновок із цих вимірів був такий: «Виявилося, що абсолютна величина ефективної температури радіовипромінювання фону... дорівнює 4± 3 К». Шмаонов відзначав незалежність інтенсивності випромінювання від напрямку на небі та від часу. Хоча помилки вимірювань були великі і говорити про будь-яку надійність цифри 4 не доводиться, тепер нам ясно, що Шмаонов вимірював саме реліктове випромінювання. На жаль, ні він сам, ні інші радіоастрономи нічого не знали про можливість існування реліктового випромінювання і не надали належного значення цим вимірам.
Нарешті, близько 1964 року до цієї проблеми свідомо підійшов відомий фізик-експериментатор із Прінстона (США) Роберт Дікке. Хоча його міркування ґрунтувалися на теорії «осцилюючого» Всесвіту, який багаторазово відчуває розширення і стиск, Дікке ясно розумів необхідність пошуку реліктового випромінювання. З його ініціативи на початку 1965 року молодий теоретик Ф.Дж.Е.Піблс провів необхідні обчислення, а П.Г.Ролл і Д.Т.Вілкінсон почали споруджувати маленьку низькошумну антену на даху Пальмерівської фізичної лабораторії в Прінстоні. Для пошуку фонового випромінювання не обов'язково використовувати великі радіотелескопи, оскільки випромінювання йде з усіх напрямків. Від того, що велика антена фокусує промінь на меншому майданчику піднебіння, нічого не виграється. Але гурт Дікке не встиг зробити заплановане відкриття: коли їхня апаратура вже була готова, їм залишалося лише підтвердити відкриття, напередодні випадково зроблене іншими.

Одна із складових загального фону косм. ел. магн. випромінювання. Р. в. рівномірно розподілено по небесній сфері та за інтенсивністю відповідає тепловому випромінюванню абсолютно чорного I тіла при темпі річок. 3 До, виявлено амер. вченими А. Пензіасом та … Фізична енциклопедія

Реліктове випромінювання, що заповнює Всесвіт космічне випромінювання, спектр якого близький до спектру абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К. Спостерігається на хвилях від декількох мм до десятків см, практично ізотропно. Походження… … Сучасна енциклопедія

Фонове космічне випромінювання, спектр якого близький до спектру чорного тіла з температурою бл. 3 К. Спостерігається на хвилях від кількох мм до десятків см, практично ізотропно. Походження реліктового випромінювання пов'язують із еволюцією. Великий Енциклопедичний словник

реліктове випромінювання- фонове космічне радіовипромінювання, яке утворилося на ранніх стадіях розвитку Всесвіту. [ГОСТ 25645.103 84] Тематики умови фізичні косм. простору EN relict radiation … Довідник технічного перекладача

Фонове космічне випромінювання, спектр якого близький до спектру чорного тіла з температурою близько 3°K. Спостерігається хвилях від кількох міліметрів до десятків сантиметрів, практично ізотропно. Походження реліктового випромінювання. Енциклопедичний словник

Електромагнітне випромінювання, що заповнює спостерігається частина Всесвіту. Р. в. існувало вже на ранніх стадіях розширення Всесвіту та відігравало важливу роль у її еволюції; є унікальним джерелом інформації про її минуле… Велика Радянська Енциклопедія

Реліктове випромінювання- (Від лат. Relicium залишок) космічне електромагнітне випромінювання, пов'язане з еволюцією Всесвіту, що почала свій розвиток після «великого вибуху»; фонове космічне випромінювання, спектр якого близький до спектру абсолютно чорного тіла з ... Початки сучасного природознавства

Фонове косміч. випромінювання, спектр якого близький до спектру абсолютно чорного тіла з темп рій ок. 3 К. Спостерігається на хвилях від дек. мм до десятків см, майже ізотропно. Походження Р. в. пов'язують з еволюцією Всесвіту, до раю в минулому. Природознавство. Енциклопедичний словник

Теплове фонове космічне випромінювання, спектр якого близький до спектру абсолютно чорного тіла з температурою 2,7 К. Походження Р. в. пов'язано з еволюцією Всесвіту, який у далекому минулому мав високу температуру і щільність випромінювання. Астрономічний словник

Космологія Вік Всесвіту Великий вибух Відстань, що рухається Реліктове випромінювання Космологічне рівняння стану Темна енергія Прихована маса Всесвіт Фрідмана Космологічний принцип Космологічні моделі Формовані … Вікіпедія

Книги

• Набір таблиць. Еволюція Всесвіту (12 таблиць), . Навчальний альбом із 12 аркушів. Артикул - 5-8676-012. Астрономічні структури Закон Хаббла. Модель Фрідмана. Періоди еволюції Всесвіту. Рання Всесвіт. Первинний нуклеосинтез. Реліктове…
• Космологія, Стівен Вайнберг. Монументальна монографія нобелівського лауреата Стівена Вайнберга узагальнює результати прогресу, досягнутого за останні два десятиліття у сучасній космології. Вона є унікальною по…

У 2006 р. Джону Мазеру та Джорджу Смуту було присуджено Нобелівську премію з фізики за відкриття ними чорності спектру та анізотропії космічного мікрохвильового фонового випромінювання. Ці результати були отримані на основі вимірювань, виконаних за допомогою супутника COBE, запущеного NASA у 1988 р. Результати Дж. Мазера та Дж. Смута стали підтвердженням походження Всесвіту в результаті Великого вибуху. Вкрай мала відмінність у температурі космічного фонового випромінювання ΔT/T ~ 10 -4 є свідченням механізму утворення галактик і зірок.

Дж. Мазер (нар. 1946)

Дж. Смут (нар. 1945)

Рис. 52. Чорнотільний спектр реліктового випромінювання.

Реліктове випромінювання (або космічне мікрохвильове фонове випромінювання) було виявлено у 1965 р. А. Пензіасом та Р. Вільсоном. На ранній стадії еволюції Всесвіту речовина була у стані плазми. Таке середовище непрозоре для електромагнітного випромінювання – відбувається інтенсивне розсіювання фотонів електронами та протонами. Коли Всесвіт охолонув до 3000 К електрони та протони об'єдналися в нейтральні атоми водню і середовище стало прозорим для фотонів. У цей час вік Всесвіту становив 300 000 років, тому реліктове випромінювання дає інформацію про стан Всесвіту в цю епоху. У цей час Всесвіт був практично однорідним. Неоднорідності Всесвіту визначаються за температурною неоднорідністю реліктового випромінювання. Ця неоднорідність становить ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Неоднорідності реліктового випромінювання – свідки неоднорідностей Всесвіту: перших зірок, галактик, скупчень галактик. При розширенні Всесвіту довжина хвилі реліктового випромінювання збільшилася Δλ/λ = ΔR/R і в даний час довжина хвилі реліктового випромінювання знаходиться в діапазоні радіохвиль, температура реліктового випромінювання T = 2.7 К.

Рис. 53. Анізотропія реліктового випромінювання. Темнішим кольором показані ділянки спектра реліктового випромінювання, що мають вищу температуру.

Дж. Мазер: «На початку був Великий вибух−так ми тепер говоримо з великою впевненістю. Супутник СОВЕ, запропонований як проект у 1974 р. до Національного агентства з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA) та запущений у 1989 р., надав дуже сильні свідчення на користь цього: космічне мікрохвильове фонове випромінювання (КМФІ, або реліктове) майже ідеального чорного тіла з температурою
2.725 ±0.001 К, і це випромінювання ізотропно (однакове у всіх напрямках) з відносним середньоквадратичним відхиленням не більше 10 на мільйон на кутових масштабах 7° і більше. Це випромінювання інтерпретується як слід надзвичайно гарячої та щільної ранньої стадії еволюції Всесвіту. У такій гарячій і щільній фазі народження та знищення фотонів, а також встановлення рівноваги між ними та з усіма іншими формами матерії та енергії відбувалося б дуже швидко порівняно з характерним масштабом часу розширення Всесвіту. Такий стан негайно справило б чорнильне випромінювання. Всесвіт, що розширюється, повинен зберігати чорнотільний характер цього спектру, тому вимір будь-якого значного відхилення від ідеального спектра випромінювання чорного тіла або зробило б неспроможною всю ідею Великого вибуху, або показало б, що після швидкого встановлення рівноваги до КМФІ була додана якась енергія (наприклад, від розпаду деяких первинних часток). Той факт, що це випромінювання ізотропно такою високою мірою є ключовим свідченням того, що воно походить від Великого вибуху».

Рис. 54. Роберт Вільсон та Арно Пензіас біля антени, на якій було зареєстровано реліктове випромінювання.

Дж. Смут: «Згідно з теорією гарячого Всесвіту, реліктове випромінювання є залишковим випромінюванням, яке сформувалося на ранніх високотемпературних стадіях еволюції Всесвіту в часи близькі до початку розширення сучасного Всесвіту 13,7 млрд. років тому. Саме реліктове випромінювання може бути використане як потужний засіб для вимірювання динаміки та геометрії Всесвіту. Реліктове випромінювання було відкрито Пензіасом та Вілсоном у Лабораторії ім. Белла 1964 р.
Вони виявили постійне ізотропне випромінювання з термодинамічною температурою близько 3,2 К. У цей же час фізики в Прінстоні (Діке, Піблз, Уїлкінсон і Рол) розробляли експеримент із вимірювання реліктового випромінювання, що передбачається теорією гарячого Всесвіту. Випадкове відкриття реліктового випромінювання Пензіасом і Вілсоном відкрило нову еру в космології, започаткувавши її перетворення з міфу та спекуляцій на повноцінний науковий напрямок.
Відкриття анізотропії температури космічного реліктового випромінювання зробило переворот у наших уявленнях про Всесвіт, і його сучасні дослідження продовжують революцію у космології. Побудова кутового спектру потужності флуктуацій температури РІ з плато, акустичними піками та загасаючим високочастотним кінцем призвела до затвердження стандартної космологічної моделі, в якій геометрія простору плоска (відповідає критичній щільності), темна енергія та темна матерія домінують і є лише трохи. Відповідно до цієї успішно підтверджуваної моделі, структура Всесвіту, що спостерігається, сформувалася завдяки гравітаційній нестійкості, яка посилила квантові флуктуації, породжені в дуже ранню інфляційну епоху. Сучасні та майбутні спостереження перевірять цю модель та визначать ключові космологічні параметри з визначною точністю та значимістю».

Реліктове випромінювання

Астрономічні спостереження показують, що крім окремих джерел випромінювання у вигляді зірок і галактик, у Всесвіті є випромінювання, що не поділяється на окремі джерела - фонове випромінювання. Воно спостерігається у всіх діапазонах електромагнітного спектра. В основному фонове випромінювання є сума світіння різних джерел (галактик, квазарів, міжгалактичного газу), настільки далеких, що сучасні засоби астрономічних спостережень поки що не можуть розділити їх сумарне випромінювання на окремі доданки (згадаємо, що і Чумацький Шлях аж до XVII століття вважався суцільною смугою світла, і тільки в 1610 Галілео Галілей, розглянувши його в телескоп, виявив, що він складається з окремих зірок).

У 1965 р. американські радіоінженери А. Пензіас та Р. Вільсон виявили фонове випромінювання в мікрохвильовому діапазоні (довжина хвилі від 300 мкм до 50 см, частота від 6 10 8 Гц до 10 12 Гц). На цих частотах електромагнітних хвиль просто немає джерел, які б дати фонове випромінювання такої яскравості. Це випромінювання дуже однорідне: з точністю до тисячних часток відсотка його інтенсивність стала по всьому небу. Зауважимо, що кілька відсотків того "снігу", який виникає на екрані телевізора на неналаштованому каналі, обумовлені мікрохвильовим фоновим випромінюванням.

Головною властивістю мікрохвильового фонового випромінювання є його спектр (тобто розподіл інтенсивності залежно від частоти чи довжини хвилі), показаний на рис. 5.1.2. Спектр цього випромінювання точно лягає на теоретичну криву, добре відому фізиці - криву Планка. Спектр такого типу зветься спектром випромінювання абсолютно чорного тіла. Такий спектр характерний для непрозорої повністю нагрітої речовини. Температура мікрохвильового випромінювання становить близько 3 К (точніше, 2728 К). Додаванням випромінювань будь-яких джерел неможливо домогтися того, щоб вийшов планківський спектр. Найбільш надійне підтвердження планківського характеру спектру реліктового випромінювання було отримано за допомогою американського супутника COBE (Cosmic Background Explorer, дослідник космічного тла) у 1992 році.

Рівняння планківської кривої має вигляд

.

(5.1)

Тут ρ - спектральна щільність випромінювання (енергія випромінювання, що припадає на одиничний об'єм і на одиничний інтервал частот), - частота, h - постійна Планка, c - швидкість світла, k - постійна Больцмана, T - температура випромінювання.

Мікрохвильове випромінювання Всесвіту інакше називається реліктовим. Така назва пов'язана з тим, що вона несе в собі інформацію про фізичні умови, що панували у Всесвіті тоді, коли ще не встигли утворитися зірки та галактики. Сам факт існування цього випромінювання свідчить, що у минулому властивості Всесвіту були значно іншими, ніж у час. Для обґрунтування цього висновку наведемо наступний логічний ланцюжок.

1. Оскільки спектр реліктового випромінювання є абсолютно абсолютно чорного тіла, це випромінювання формується повністю непрозорим нагрітим тілом.
2. Оскільки це випромінювання поступово приходить до нас з усіх боків, ми з усіх боків оточені якимось непрозорим тілом.
3. Однак Всесвіт - у сучасному її вигляді - майже повністю прозорий для радіохвиль у мікрохвильовому (міліметровому та сантиметровому) діапазоні. Отже, речовина, що випромінює це випромінювання, відстоїть від нас набагато далі, ніж будь-які об'єкти, що спостерігаються - галактики, квазари і т.д. Згадуючи принцип "що далі у просторі - тим глибше в часі", ми приходимо до висновку, що Всесвіт був повністю непрозорим у давнину, коли ще не утворилися зірки та галактики; а якщо непрозорою, значить, дуже щільною. Мікрохвильове фонове випромінювання є реліктом, що залишився від тієї далекої доби.

Відмітимо, що майже ідеальна однорідність цього випромінювання - найкращий аргумент на користь космологічного принципу, на користь однорідності Всесвіту на великих масштабах.

Наведемо деякі кількісні дані про реліктове випромінювання. За законом Вина, температура чорнотільного випромінювання з довжиною хвилі, на яку припадає максимум інтенсивності max , обчислюється за формулою

Для реліктового випромінювання max = 0.1 см. Середня енергія кванта цього випромінювання приблизно 1.05 · 10 -22 Дж. В даний час у кожному кубічному метрі знаходиться приблизно 4 · 10 8 реліктових фотонів. Це приблизно в мільярд разів більше, ніж частинок звичайної речовини (точніше протонів; мається на увазі, звичайно, середня щільність).

Зміна температури реліктового випромінювання з часом

Для обґрунтування припущення Гамова про гарячий стан Всесвіту ми залучимо дані про реліктове випромінювання. Спробуємо зрозуміти, якою була його температура у минулому. Іншими словами, з'ясуємо, яку температуру реліктового випромінювання зафіксував би спостерігач у галактиці з червоним усуненням z. Для цього використовуємо формулу (2.1) λ=λ 0 (1+z), що показує залежність довжини хвилі будь-якого (у тому числі реліктового) випромінювання, що подорожує в міжгалактичному просторі, від червоного зміщення z, та закон Вина (5.2) T·λ max =0.29 K · див. Комбінуючи ці формули, ми бачимо, що з червоному зміщенні z температура реліктового випромінювання T була

Де T 0 =2.728 K - температура нині (тобто при z=0). З цієї формули випливає, що раніше температура реліктового випромінювання була вищою, ніж зараз.

Існують і прямі експериментальні докази цієї закономірності. Група американських учених використовувала найбільший у світі телескоп Кек (на Гавайських островах) із дзеркалом діаметром 10 метрів для отримання спектрів двох квазарів з червоними зсувами z=1.776 та z=1.973. Як з'ясували ці вчені, спектральні лінії цих об'єктів показують, що вони опромінюються тепловим випромінюванням з температурою 7.4±0.8 До і 7.9±1.1 До відповідно, що знаходиться у чудовій згоді з температурою реліктового випромінювання, що очікується з формули (5.3): T(1.776) =7.58 До і T(1.973)=8.11 До. Одночасно, до речі, ці факти дають додатковий аргумент на користь те, що мікрохвильове фонове випромінювання приходить до нас із глибин Всесвіту.

. Георгій Антонович Гамов (1904–1968).

Чим ближче до Великого Вибуху, тим гарячіше реліктове випромінювання. При z~1000 (таке червоне зміщення відповідає епосі, що віддалялася на 300 тис. років від Великого Вибуху), його температура була T~3000 K, причому в кожному кубічному метрі знаходилося близько 4·10 17 реліктових фотонів. Таке потужне випромінювання мало іонізувати весь існуючий тоді газ. Отже, у далекому минулому Всесвіті не могло існувати зірок, і вся речовина являла собою щільну гарячу непрозору плазму.

Саме це твердження складає суть теорії гарячого Всесвіту, основи якої заклав видатний фізик Георгій Антонович Гамов, який народився і здобув освіту в нашій країні, тут же став відомим як фізик, але був змушений емігрувати до США в роки сталінських репресій. Ця теорія коротко розглянута у цьому параграфі.

Реліктове випромінювання – це фонове мікрохвильове випромінювання, однакове у всіх напрямках і має спектр, характерний для абсолютно чорного тіла за температури ~ 2.7 K.

Вважається, що з цього випромінювання можна дізнатися на запитання: звідки взялася ? По суті, реліктове випромінювання – це те, що залишилося від «будівництва Всесвіту», коли він почав лише зароджуватися після розширення щільної гарячої плазми. Для того, щоб простіше було зрозуміти, що таке реліктове випромінювання порівняємо його з залишками людської діяльності. Наприклад, людина винаходить щось, інші це купують, використовують і викидають відходи. Так от сміття (той самий результат життя людини) – це аналог реліктового випромінювання. По сміттю можна дізнатися все – де людина була у певний проміжок часу, що вона їла, у що була одягнена, і навіть про що вела розмову. Також і реліктове випромінювання. За його властивостями вчені намагаються побудувати картину моменту великого вибуху, що, можливо, дасть відповідь на запитання: як з'явився Всесвіт? Проте закони збереження енергії створюють певні розбіжності про виникнення всесвіту, тому що ніщо з нізвідки не береться і нікуди не подіється. Динаміка нашого всесвіту – це переходи, зміна властивостей та станів. Це можна спостерігати навіть на планеті. Наприклад, кульова блискавка утворюється в згустку хмари з частинок води?! Як? Як це може бути? Ніхто не може пояснити походження тих чи інших законів. Є лише моменти відкриття цих законів, як і історія відкриття реліктового випромінювання.

Історичні факти вивчення реліктового випромінювання

Вперше про реліктове випромінювання згадував Георгій Антонович Гамов (Джордж Гамов), коли намагався пояснити теорію великого вибуху. Він припускав, що якесь залишкове випромінювання заповнює простір всесвіту, що постійно розширюється. У 1941 році, вивчаючи поглинання однієї з зірок скупчення змієносця, Ендрю Мак-Келлар помітив спектральні лінії поглинання світла, які відповідали температурі 2,7 к. У 1948 році Георгій Гамов, Ральф Альферт і Роберт Герман встановили температуру реліктового випромінювання. Георгій Гамов припустив температуру менше відомої у 3 К. Але це було лише поверхове вивчення цього, на той час нікому не відомого факту. На початку 1960-х Роберт Дікке і Яків Зельдович отримали самі результати, як і Гамов фіксуючи хвилі, інтенсивність випромінювання яких залежала від часу. Допитливого розуму вчених довелося створити спеціальний радіотелескоп для більш точної реєстрації реліктового випромінювання. На початку 80-х з розвитком космічної промисловості реліктове випромінювання стали вивчати ретельніше з борту космічного апарату. Вдалося встановити якість ізотропії реліктового випромінювання (однакові характеристики у всіх напрямках, наприклад, північ 5 кроків за 10 секунд і південь 5 кроків теж за 10 секунд). На сьогоднішній день продовжуються вивчення властивостей реліктового вивчення та історію його виникнення.

Які властивості має реліктове випромінювання?

Спектр реліктового випромінювання за даними, отриманими за допомогою інструменту FIRAS на борту супутника COBE

Спектр реліктового випромінювання дорівнює 2,75 Кельвіна, що аналогічно сажі охолодженої до такої температури. Така речовина завжди поглинає падаюче на нього випромінювання (світло), як би ви на нього не вплинули. Хоч у магнітну котушку засовуйте, хоч ядерну бомбу кидайте, хоч прожектором світите. Таке тіло теж випромінює мале випромінювання. Але це лише доводить той факт, що немає нічого абсолютного. Завжди можна нескінченно довго виводити ідеальний закон, домагатися максимуму певної якості чогось, але завжди залишиться мала частка інерції.

Цікаві факти, пов'язані з дослідженням реліктового випромінювання

Максимальна частота реліктового випромінювання була зареєстрована 160,4 ГГц, що дорівнює 1,9 мм хвилі. А густина такого випромінювання становить 400-500 фотонів на см 3 . Реліктове випромінювання - це найстаріше, найдавніше випромінювання, яке можна спостерігати взагалі у всесвіті. Кожна частка пролетіла 400 000 років, щоб досягти Землі. Чи не кілометрів, а років! За даними спостережень супутника і математичними розрахунками реліктове випромінювання як би стоїть на місці, а всі галактики та сузір'я рухаються щодо нього з величезною швидкістю, близько сотні кілометрів на секунду. Це як спостерігати у вікно поїзда, що рухається. Температура реліктового випромінювання у напрямку сузір'я на 0,1% вище, а у протилежному напрямку на 0,1% нижче. Це пояснює рух Сонця у бік сузір'я щодо реліктового фону.

Що дає вивчення реліктового випромінювання?

Ранній Всесвіт був холодним, дуже холодним. Чому Всесвіт був такий холодний, і що трапилося, коли почалося розширення всесвіту? Можна припустити, що через великий вибух стався викид величезної кількості згустків енергії за межі всесвіту, потім Всесвіт охолонув, майже замерз, але з часом енергія почала збиратися в згустки знову, і виникла якась реакція, яка і запустила процес розширення всесвіту. Тоді звідки взялася темна матерія та чи взаємодіє вона із реліктовим випромінюванням? Можливо, реліктове випромінювання – це результат розкладання темної матерії, що більш логічно, ніж залишкове випромінювання великого вибуху. Оскільки темна енергія може бути антиматерією і частинки темної матерії, стикаючись з частинками матерії, утворюють у матеріальному та антиматеріальному світі випромінювання подібно до реліктового. На сьогоднішній день це найсвіжіша, невивчена галузь науки, в якій можна досягти успіхів і зафіксуватися в історії науки і суспільства.