Реліктове випромінювання всесвіту. Які властивості має реліктове випромінювання? Відкриття реліктового випромінювання 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.

Відкриття реліктового випромінювання Всесвіту

Передмова

РЕЛІКТОВЕ ВИМИКАННЯкосмічне електромагнітне випромінювання, що приходить на Землю з усіх боків неба 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 ° C). 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» (М. ф. і.) 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. Далі ми називатимемо це випромінювання «реліктовим». Відкриття 1965 року реліктового випромінювання мало велике значення для космології; воно стало одним із найважливіших досягнень природознавства ХХ століття і, безумовно, найважливішим для космології після відкриття червоного зміщення у спектрах галактик. Слабке реліктове випромінювання несе нам свідчення 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 в останні роки детальні виміри цього випромінювання за допомогою наземних, стратосферних і космічних обсерваторій відкривають завісу над таємницею народження Всесвіту.

Відкриття реліктового випромінювання

У 1960 році в Кроуфорд-Хіллі, Холмдел (шт. Нью-Джерсі, США) була побудована антена для прийому радіосигналів, відбитих від супутника-балону «Ехо». До 1963 року для роботи із супутником ця антена була вже не потрібна, і радіофізики Роберт Вудро Вілсон (р. 1936) та Арно Елан Пензіас (р. 1933) з лабораторії компанії «Белл телефон» вирішили використовувати її для радіоастрономічних спостережень. Антена була 20-футовий рупор. Разом з новітнім приймальним пристроєм цей радіотелескоп був у той час найчутливішим інструментом у світі для вимірювання радіохвиль, що надходять з космосу.

Насамперед передбачалося провести вимірювання радіовипромінювання міжзоряного середовища нашої Галактики на хвилі довжиною 7,35 см. Арно Пензіас і Роберт Уілсон не знали про теорію гарячого Всесвіту і не збиралися шукати реліктове випромінювання. Для точного вимірювання радіовипромінювання Галактики необхідно було врахувати всі можливі перешкоди, що викликаються випромінюванням земної атмосфери та поверхні Землі, а також перешкоди, що виникають в антені, електричних ланцюгах та приймачах.

Попередні випробування приймальної системи показали трохи більший шум, ніж очікувалося за розрахунками, але здавалося правдоподібним, що це пов'язано з невеликим надлишком шуму підсилювальних ланцюгах. Щоб позбавитися цих проблем, Пензіас і Вілсон використовували пристрій, відомий як «холодне навантаження»: сигнал, що приходить від антени, порівнюється зі сигналом від штучного джерела, охолодженого рідким гелієм при температурі близько чотирьох градусів вище абсолютного нуля (4 K) . В обох випадках електричний шум у підсилювальних ланцюгах повинен бути однаковим, і тому отримана при порівнянні різниця дає потужність сигналу, що йде від антени. Цей сигнал містить вклади лише від антенного пристрою, земної атмосфери та астрономічного джерела радіохвиль, що потрапляє у поле зору антени. Пензіас і Вілсон очікували, що антенний пристрій даватиме дуже невеликий електричний шум. Однак, щоб перевірити це припущення, вони почали свої спостереження на порівняно коротких хвилях довжиною 7,35 см, на яких радіошум від Галактики повинен бути дуже малим. Звичайно, деякий радіошум очікувався на такій довжині хвилі і від земної атмосфери, але цей шум повинен був мати характерну залежність від напрямку: він повинен бути пропорційний товщині атмосфери в тому напрямку, в якому дивиться антена: трохи менше в напрямку зеніту, трохи більше в напрямку. горизонту. Очікувалося, що після віднімання атмосферного члена з характерною залежністю від напрямку не залишиться ніякого суттєвого сигналу від антени і це підтвердить, що електричний шум, що виробляється антенним пристроєм, дуже малий. Після цього можна буде почати вивчення самої Галактики на великих довжинах хвиль – близько 21 см, де випромінювання Чумацького Шляху має цілком помітне значення.

Мікрохвильовий шум

На свій подив, Пензіас і Вілсон виявили навесні 1964 року, що вони приймають на довжині хвиль 7,35 см досить помітну кількість мікрохвильового шуму, що не залежить від напрямку. Вони виявили, що це «статичний фон» не змінюється в залежності від часу доби, а пізніше виявили, що він не залежить і від пори року. Отже, це не могло бути випромінюванням Галактики, бо в цьому випадку його інтенсивність змінювалася б залежно від того, дивиться антена вздовж площини Чумацького Шляху чи впоперек. До того ж, якби це було випромінюванням нашої Галактики, то велика спіральна галактика М 31 в Андромеді, багато в чому схожа на нашу, теж мала б сильно випромінювати на хвилі 7,35 см, а цього не спостерігалося. Відсутність будь-яких варіацій мікрохвильового шуму, що спостерігається, з напрямком дуже серйозно вказувала на те, що ці радіохвилі, якщо вони дійсно існують, приходять не від Чумацького Шляху, а від значно більшого обсягу Всесвіту. Дослідникам було ясно, що необхідно знову перевірити, чи не може сама антена робити більше електричного шуму, ніж очікувалося. Зокрема, було відомо, що в рупорі антени пригнобилася пара голубів. Вони були спіймані, відправлені поштою на належну компанії «Белл» ділянку у Віпані, випущені на волю, знову виявлені через кілька днів на своєму місці в антені, знову спіймані і нарешті втихомирені рішучішими засобами. Однак під час оренди приміщення голуби покрили нутро антени тим, що Пензіас назвав «білою діелектричною речовиною», яка за кімнатної температури могла бути джерелом електричного шуму. На початку 1965 року було демонтовано рупор антени і очищено весь бруд, проте це, як і всі інші хитрощі, дало дуже мале зменшення рівня шуму, що спостерігається.

Коли всі джерела перешкод були ретельно проаналізовані та враховані, Пензіас та Вілсон змушені були зробити висновок, що випромінювання приходить з космосу, причому з усіх боків з однаковою інтенсивністю. Виявилося, що простір випромінює так, ніби він нагрітий до температури 3,5 кельвіна (точніше, досягнута точність дозволяла зробити висновок, що «температура космосу» від 2,5 до 4,5 кельвіна). Необхідно зауважити, що це дуже тонкий експериментальний результат: наприклад, якщо перед рупором антени розташувати брикет морозива, то він сяяв би в радіодіапазоні, в 22 млн. разів яскравіший, ніж відповідна ділянка неба. Роздумуючи про несподіваний результат своїх спостережень, Пензіас і Вілсон не поспішали з публікацією. Але події розвивалися вже без їхньої волі. Сталося так, що Пензіас зателефонував зовсім іншому приводу своєму приятелю Бернарду Берку з Массачусетського технологічного інституту. Незадовго до цього Берк чув від свого колеги Кена Тернера з Інституту Карнегі про доповідь, яку той, у свою чергу, чув в Університеті Джонса Хопкінса, зробленого теоретиком з Прінстона Філом Піблслом, який працював під керівництвом Роберта Дікке. У цій доповіді Піблс наводив аргументи на користь того, що повинен існувати фоновий радіошум, що залишився від раннього Всесвіту і зараз має еквівалентну температуру близько 10 K . Пензіас зателефонував Дікці, і обидві групи дослідників зустрілися. Роберту Дікке та його колегам Ф.Піблсу, П.Роллу та Д.Вілкінсону стало ясно, що А.Пензіас та Р.Вілсон виявили реліктове випромінювання гарячого Всесвіту. Вчені вирішили одночасно опублікувати два листи у престижному "Астрофізичному журналі" ("Astrophysical Journal"). Влітку 1965 року були опубліковані обидві роботи: Пензіаса та Вілсона про відкриття реліктового випромінювання та Дікке з колегами – з його поясненням за допомогою теорії гарячого Всесвіту. Очевидно, не до кінця переконані в космологічній інтерпретації свого відкриття, Пензіас та Вілсон дали своїй замітці скромну назву: Вимір надмірної антеної температури на частоті 4080 МГц. Вони просто оголосили, що «вимірювання ефективної зенітної температури шуму... дали значення на 3,5 K вище, ніж очікувалося», і уникнули будь-яких згадок про космологію, за винятком фрази, що «можливе пояснення надмірної температури шуму, що спостерігається, дано Дікке, Піблсом , Роллом та Уїлкінсоном у супутньому листі в цьому ж випуску журналу».

У наступні роки на різних довжинах хвиль від десятків сантиметрів до частки міліметра було проведено численні виміри. Спостереження показали, що спектр реліктового випромінювання відповідає формулі Планка, як і має бути для випромінювання з певною температурою. Підтвердилося, що температура приблизно дорівнює 3 K .Було зроблено чудове відкриття, що доводить, що Всесвіт на початку розширення був гарячим. Таке складне переплетення подій, що завершилося відкриттям гарячого Всесвіту Пензіасом та Вілсоном у 1965 році. Встановлення факту надвисокої температури на початку розширення Всесвіту стало відправною точкою найважливіших досліджень, які ведуть розкриття таємниць як астрофізичних, а й таємниць будівлі матерії. Найточніші виміри реліктового випромінювання проведені з космосу: це експеримент «Релікт» на радянському супутнику «Прогноз-9» (1983–1984) та експеримент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американському супутнику COBE (Cosmic Background Explorer, лист. 1989–1993)Саме останній дозволив найточніше визначити температуру реліктового випромінювання: 2,725 ± 0,002 K .

Шановні відвідувачі!

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)

Мал. 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.

Мал. 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».

Мал. 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».

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…

Зміст статті

РЕЛІКТОВЕ ВИМИКАННЯ,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-ті роки Віллемом де Сіттером (1872-1934), Олександром Фрідманом (1888-1925) і 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 в 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 і 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 того ж року, 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 Хаббла. М., 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.

Відкриття реліктового випромінювання.

У 1960 році в Кроуфорд-Хіллі, Холмдел (шт. Нью-Джерсі, США) була побудована антена для прийому радіосигналів, відбитих від супутника-балону «Эхо». До 1963 для роботи з супутником ця антена була вже не потрібна, і радіофізики Роберт Вудро Вілсон (р. 1936) та Арно Елан Пензіас (р. 1933) з лабораторії компанії "Белл телефон" вирішили використовувати її для радіоастрономічних спостережень. Антена була 20-футовий рупор. Разом з новітнім приймальним пристроєм цей радіотелескоп був у той час найчутливішим інструментом у світі для вимірювання радіохвиль, що надходять з широких майданчиків на небі. Насамперед передбачалося провести вимірювання радіовипромінювання міжзоряного середовища нашої Галактики на хвилі довжиною 7,35 см. Арно Пензіас і Роберт Вілсон не знали про теорію гарячого Всесвіту і не збиралися шукати реліктове випромінювання.

Для точного вимірювання радіовипромінювання Галактики необхідно було врахувати всі можливі перешкоди, що викликаються випромінюванням земної атмосфери та поверхні Землі, а також перешкоди, що виникають в антені, електричних ланцюгах та приймачах. Попередні випробування приймальної системи показали дещо більший шум, ніж очікувалося за розрахунками, але здавалося правдоподібним, що це пов'язано з невеликим надлишком шуму підсилювальних ланцюгах. Щоб позбавитися цих проблем, Пензіас і Вілсон використовували пристрій, відомий як «холодне навантаження»: сигнал, що приходить від антени, порівнюється зі сигналом від штучного джерела, охолодженого рідким гелієм при температурі близько чотирьох градусів вище абсолютного нуля (4 K). В обох випадках електричний шум у підсилювальних ланцюгах повинен бути однаковим, і тому отримана при порівнянні різниця дає потужність сигналу, що йде від антени. Цей сигнал містить вклади лише від антенного пристрою, земної атмосфери та астрономічного джерела радіохвиль, що потрапляє у поле зору антени.

Пензіас і Вілсон очікували, що антенний пристрій даватиме дуже невеликий електричний шум. Однак, щоб перевірити це припущення, вони почали свої спостереження на порівняно коротких хвилях довжиною 7,35 см, на яких радіошум від Галактики повинен бути дуже малим. Звичайно, якийсь радіошум очікувався на такій довжині хвилі і від земної атмосфери, але цей шум повинен мати характерну залежність від напрямку: він повинен бути пропорційний товщині атмосфери в тому напрямку, в якому дивиться антена: трохи менше в напрямку зеніту, трохи більше напрямі горизонту. Очікувалося, що після віднімання атмосферного члена з характерною залежністю від напрямку не залишиться ніякого суттєвого сигналу від антени і це підтвердить, що електричний шум, що виробляється антенним пристроєм, дуже малий. Після цього можна буде почати вивчення самої Галактики на великих довжинах хвиль – близько 21 см, де випромінювання Чумацького Шляху має помітне значення. (Зазначимо, що радіохвилі з довжинами в сантиметри або дециметри, аж до 1 м, зазвичай називають «мікрохвильовим випромінюванням». Така назва дано тому, що ці довжини хвиль менші, ніж у ультракоротких хвиль, які використовували в радарах на початку Другої світової війни .)

На свій подив, Пензіас і Вілсон виявили навесні 1964, що вони приймають на довжині хвиль 7,35 см досить помітну кількість мікрохвильового шуму, що не залежить від напрямку. Вони виявили, що це «статичний фон» не змінюється в залежності часу доби, а пізніше виявили, що він не залежить і від пори року. Отже, це не могло бути випромінюванням Галактики, бо в цьому випадку його інтенсивність змінювалася б залежно від того, дивиться антена вздовж площини Чумацького Шляху чи впоперек. До того ж, якби це було випромінюванням нашої Галактики, то велика спіральна галактика М 31 в Андромеді, багато в чому схожа на нашу, теж мала б сильно випромінювати на хвилі 7,35 см, а цього не спостерігалося. Відсутність будь-яких варіацій мікрохвильового шуму, що спостерігається, з напрямком дуже серйозно вказувала на те, що ці радіохвилі, якщо вони дійсно існують, приходять не від Чумацького Шляху, а від значно більшого обсягу Всесвіту.

Дослідникам було ясно, що необхідно знову перевірити, чи не може сама антена робити більше електричного шуму, ніж очікувалося. Зокрема, було відомо, що в рупорі антени угнезділася пара голубів. Вони були спіймані, відправлені поштою на належну компанії «Белл» ділянку у Віпані, випущені на волю, знову виявлені кількома днями на своєму місці в антені, знову спіймані і нарешті втихомирені рішучішими засобами. Однак під час оренди приміщення голуби покрили нутро антени тим, що Пензіас назвав «білою діелектричною речовиною», яка за кімнатної температури могла бути джерелом електричного шуму. На початку 1965 був демонтований рупор антени і очищений весь бруд, проте це, як і всі інші хитрощі, дало дуже мале зменшення рівня шуму, що спостерігається.

Коли всі джерела перешкод були ретельно проаналізовані та враховані, Пензіас та Вілсон змушені були зробити висновок, що випромінювання приходить із космосу, причому з усіх боків з однаковою інтенсивністю. Виявилося, що простір випромінює так, ніби воно нагріте до температури 3,5 кельвіна (точніше, досягнута точність дозволяла зробити висновок, що «температура космосу» від 2,5 до 4,5 кельвіна). Необхідно зауважити, що це дуже тонкий експериментальний результат: наприклад, якщо перед рупором антени розташувати брикет морозива, то він сяяв би в радіодіапазоні, в 22 млн. разів яскравіший, ніж відповідна ділянка неба. Роздумуючи про несподіваний результат своїх спостережень, Пензіас і Вілсон не поспішали з публікацією. Але події розвивалися вже без їхньої волі.

Сталося так, що Пензіас зателефонував зовсім іншому своєму приятелю Бернарду Берку з Массачусетського технологічного інституту. Незадовго до цього Берк чув від свого колеги Кена Тсрнера з Інституту Карнегі про доповідь, яку той, у свою чергу, чув в Університеті Джонса Хопкінса, зробленому теоретиком з Прінстона Філом Піблслм, який працював під керівництвом Роберта Дікке. У цій доповіді Піблс наводив аргументи на користь того, що повинен існувати фоновий радіошум, що залишився від раннього Всесвіту і має еквівалентну температуру близько 10 K.

Пензіас зателефонував Дікці, і обидві групи дослідників зустрілися. Роберту Дікке та його колегам Ф.Піблсу, П.Роллу та Д.Вілкінсону стало ясно, що А.Пензіас та Р.Вілсон виявили реліктове випромінювання гарячого Всесвіту. Вчені вирішили одночасно опублікувати два листи у престижному "Астрофізичному журналі" ("Astrophysical Journal"). Влітку 1965 були опубліковані обидві роботи: Пензіаса та Вілсона про відкриття реліктового випромінювання та Дікке з колегами – з його поясненням за допомогою теорії гарячого Всесвіту. Очевидно, не до кінця переконані в космологічній інтерпретації свого відкриття, Пензіас та Вілсон дали своїй замітці скромну назву: Вимір надмірної антеної температури на частоті 4080 МГц. Вони просто оголосили, що «вимірювання ефективної зенітної температури шуму... дали значення на 3,5 K вище, ніж очікувалося», і уникнули будь-яких згадок про космологію, за винятком фрази, що «можливе пояснення надмірної температури шуму, що спостерігається, дано Дікке, Піблсом , Роллом та Уїлкінсоном у супутньому листі в цьому ж випуску журналу».

У наступні роки на різних довжинах хвиль від десятків сантиметрів до частки міліметра було проведено численні виміри. Спостереження показали, що спектр реліктового випромінювання відповідає формулі Планка, як і має бути для випромінювання з певною температурою. Підтвердилося, що ця температура приблизно дорівнює 3 K. Було зроблено чудове відкриття, що доводить, що Всесвіт на початку розширення був гарячим.

Таке складне переплетення подій, що завершилося відкриттям гарячого Всесвіту Пензіасом і Вілсоном в 1965. Встановлення факту надвисокої температури на початку розширення Всесвіту стало відправною точкою найважливіших досліджень, що ведуть до розкриття таємниць не тільки астрофізичних, а й таємниць будови матерії.

Найбільш точні виміри реліктового випромінювання проведені з космосу: це експеримент «Релікт» на радянському супутнику «Прогноз-9» (1983–1984) та експеримент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американському супутнику COBE (Cosmic Background Explorer, лист. 99–1989) останній дозволив найточніше визначити температуру реліктового випромінювання: 2,725 ± 0,002 K.

Мікрохвильовий фон як "новий ефір".

p align="justify"> Отже, спектр реліктового випромінювання з дуже високою точністю відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла (тобто описується формулою Планка) з температурою Т = 2,73 К. Однак спостерігаються невеликі (близько 0,1%) відхилення від цієї середньої температури залежно від того, у якому напрямку на небі проводиться вимір. Справа в тому, що реліктове випромінювання ізотропне лише в системі координат, пов'язаної з усією системою галактик, що розбігаються, в так званій «супутній системі відліку», яка розширюється разом із Всесвітом. У будь-якій іншій системі координат інтенсивність випромінювання залежить від напрямку. В першу чергу це викликано рухом вимірювального приладу щодо реліктового випромінювання: ефект Доплера призводить до «посинення» фотонів, що летять назустріч приладу, і до «почервоніння» фотонів, що наздоганяють його.

При цьому виміряна температура порівняно із середньою (Т 0) залежить від напрямку руху: T = T 0 (1 + (v/c) cos i), де v - швидкість приладу в системі координат, пов'язаної з реліктовим випромінюванням; c – швидкість світла, i– кут між вектором швидкості та напрямом спостереження. На тлі однорідного розподілу температури з'являється два «полюси» – теплий у напрямку руху та прохолодний у протилежному напрямку. Тому таке відхилення від однорідності називають "дипольним". Дипольна складова в розподілі реліктового випромінювання була виявлена ​​ще при наземних спостереженнях: у напрямку на сузір'я Лева температура цього випромінювання виявилася на 3,5 мК вище за середню, а в протилежному напрямку (сузір'я Водолія) на стільки ж нижче за середню. Отже, ми рухаємось щодо реліктового випромінювання зі швидкістю близько 400 км/с. Точність вимірів виявилася настільки високою, що виявилися навіть річні варіації дипольної складової, викликані зверненням Землі навколо Сонця зі швидкістю 30 км/с.

Вимірювання зі штучних супутників Землі суттєво уточнили ці дані. За даними COBE, після обліку орбітального руху Землі виходить, що Сонячна система рухається так, що амплітуда дипольної складової температури реліктового випромінювання DT = 3,35 мК; це відповідає швидкості руху V = 366 км/с. Рухається Сонце щодо випромінювання у напрямку кордону сузір'їв Лева та Чаші, до точки з екваторіальними координатами a = 11 h 12 m і d = –7,1° (епоха J2000); що відповідає галактичним координатам l = 264,26 ° і b = 48,22 °. Облік руху самого Сонця в Галактиці показує, що щодо всіх галактик Місцевої групи Сонце рухається зі швидкістю 316±5 км/с у напрямку l 0 = 93 ± 2° і b 0 = -4 ± 2 °. Тому рух самої Місцевої групи щодо реліктового випромінювання відбувається зі швидкістю 635 км/с у напрямку до l= 269 ° і b= +29 °. Це приблизно під кутом 45° щодо направлення на центр скупчення галактик у Діві (Virgo).

Вивчення рухів галактик у значно більшому масштабі показує, що сукупність найближчих скупчень галактик (119 скупчень з каталогу Абеля не більше 200 Мпк від нас) рухається як ціле щодо реліктового випромінювання зі швидкістю близько 700 км/с. Таким чином, наше околиця Всесвіту пливе в море реліктового випромінювання з помітною швидкістю. Астрофізики неодноразово звертали увагу на те, що сам факт існування реліктового випромінювання та пов'язаної з ним виділеної системи відліку відводить цьому випромінюванню роль «нового ефіру». Але нічого містичного в цьому немає: всі фізичні виміри у цій системі відліку еквівалентні вимірам у будь-якій іншій інерційній системі відліку. (Обговорення проблеми «нового ефіру» у зв'язку із принципом Маха можна знайти у книзі: Зельдович Я.Б., Новіков І.Д. Будова та еволюція Всесвіту.М., 1975).

Анізотропія реліктового випромінювання.

Температура реліктового випромінювання є лише одним із його параметрів, що описують ранній Всесвіт. У властивостях цього випромінювання збереглися й інші явні сліди ранньої епохи еволюції нашого світу. Астрофізики знаходять ці сліди, аналізуючи спектр та просторову неоднорідність (анізотропію) реліктового випромінювання.

Згідно з теорією гарячого Всесвіту, через приблизно 300 тис. років після початку розширення температура речовини і пов'язаного з ним випромінювання зменшилася до 4000 К. При цій температурі фотони вже не могли іонізувати атоми водню і гелію. Тому в ту епоху, що відповідає червоному зміщенню z = 1400, відбулася рекомбінація гарячої плазми, внаслідок якої плазма перетворилася на нейтральний газ. Тоді ще жодних галактик та зірок, звичайно, не було. Вони з'явилися значно пізніше.

Ставши нейтральним, що заповнює Всесвіт газ виявився практично прозорим для реліктового випромінювання (хоча в ту епоху це були не радіохвилі, а світло видимого та близького інфрачервоного діапазонів). Тому стародавнє випромінювання майже безперешкодно доходить до нас із глибин простору та часу. Але все ж таки шляхом він відчуває деякі впливи і як археологічний пам'ятник несе на собі сліди історичних подій.

Наприклад, в епоху рекомбінації атоми випускали багато фотонів з енергією близько 10 еВ, що в десятки разів перевищує середню енергію фотонів рівноважного випромінювання тієї епохи (при T = 4000 К таких енергійних фотонів вкрай мало, близько однієї мільярдної частки від їх загальної кількості). Тому рекомбінаційне випромінювання мало б сильно спотворити планківський спектр реліктового випромінювання в діапазоні довжин хвиль близько 250 мкм. Щоправда, розрахунки показали, що сильна взаємодія випромінювання з речовиною призведе до того, що енергія, що виділилася, в основному «розсмокчеться» по широкій області спектру і не сильно його спотворить, але майбутні точні вимірювання зможуть помітити і це спотворення.

А значно пізніше, в епоху формування галактик і першого покоління зірок (при z ~ 10), коли величезна маса вже майже остиглої речовини знову зазнала значного нагрівання, спектр реліктового випромінювання знову міг змінитися, оскільки, розсіюючись на гарячих електронах, низькоенергійні фотони збільшують свою енергію. (Так званий «зворотний ефект Комптону»). Обидва описані вище ефекти спотворюють спектр реліктового випромінювання в його короткохвильовій ділянці, яка поки що найменш досліджена.

Хоча в наш час більшість звичайної речовини щільно упакована в зірках, а ті в галактиках, все ж і поблизу нас реліктове випромінювання може випробувати помітне спотворення спектра в тому випадку, якщо його промені по дорозі до Землі проходять крізь велике скупчення галактик. Зазвичай такі скупчення заповнені розрідженим, але дуже гарячим міжгалактичним газом, що має температуру близько 100 млн К. Розсіюючись на швидких електронах цього газу, низькоенергічні фотони збільшують свою енергію (все той же зворотний комптон ефект) і переходять з низькочастотної, релей-джинсівської області у високочастотну, винну область. Цей ефект було передбачено Р.А.Сюняевим і Я.Б.Зельдовичем і виявлено радіоастрономами у бік багатьох скупчень галактик як зниження температури випромінювання в релей-джинсовской області діапазону на 1–3 мК. Ефект Сюняєва – Зельдовича було відкрито першим серед ефектів, створюють анізотропію реліктового випромінювання. Порівняння його величини з рентгенівською світністю скупчень галактик дозволило незалежно визначити постійну Хаббла (H = 60 ± 12 км/с/Мпк).

Повернемося до епохи рекомбінації. У віці менше 300 000 років Всесвіт був майже однорідною плазмою, що здригалася від звукових, а точніше - інфразвукових хвиль. Розрахунки космологів кажуть, що ці хвилі стиснення та розширення речовини генерували в непрозорій плазмі також коливання щільності випромінювання, і тому нині вони повинні виявлятися у вигляді трохи помітного «зибу» у майже однорідному реліктовому випромінюванні. Тому сьогодні воно має приходити на Землю з різних боків із трохи різною інтенсивністю. В даному випадку йдеться не про тривіальну дипольну анізотропію, викликану рухом спостерігача, а про варіації інтенсивності, що дійсно властиві самому випромінюванню. Їхня амплітуда має бути вкрай мала: приблизно одна стотисячна частка самої температури випромінювання, тобто. порядку 0,00003 К. Їх дуже важко виміряти. Перші спроби визначити величини цих малих флуктуацій в залежності від напрямку на небі були зроблені відразу після відкриття самого реліктового випромінювання в 1965 році. У нашій країні такі виміри були проведені в експерименті «Релікт», але впевненіше ці малі флуктуації були зареєстровані з американського супутника COBE (рис. 1).

Останнім часом проводиться та планується багато експериментів щодо вимірювання амплітуди флуктуацій реліктового випромінювання у різних кутових масштабах – від градусів до секунд дуги. Різні фізичні явища, що відбувалися в перші миті життя Всесвіту, повинні були залишити свій характерний відбиток у випромінюванні, що приходить до нас. Теорія передбачає певну залежність між розмірами холодних і гарячих плям в інтенсивності реліктового випромінювання та їхньою відносною яскравістю. Залежність дуже своєрідна: у ній міститься інформація про процеси народження Всесвіту, про те, що відбувалося відразу після народження, а також про параметри сьогоднішнього Всесвіту.

Кутовий дозвіл перших спостережень – в експериментах «Релікт-2 і COBE – був дуже поганий, приблизно 7°, тому інформація про флуктуації реліктового випромінювання була неповною. У наступні роки такі ж спостереження проводилися за допомогою як наземних радіотелескопів (у нашій країні для цієї мети використовується інструмент РАТАН-600 із незаповненою апертурою діаметром 600 м), так і радіотелескопів, які піднімалися на повітряних кулях у верхні шари атмосфери.

Принциповим кроком у дослідженні анізотропії реліктового випромінювання став експеримент «Бумеранг» (BOOMERANG), виконаний вченими США, Канади, Італії, Англії та Франції за допомогою безпілотного аеростату НАСА (США) об'ємом 1 млн кубометрів, який з 29 грудня 1998 по 9 січня коло на висоті 37 км навколо Південного полюса і, пролетівши близько 10 тис. км, скинув гондолу з приладами на парашуті за 50 км від місця старту. Спостереження проводилися субміліметровим телескопом з головним дзеркалом діаметром 1,2 м, у фокусі якого розміщувалася охолоджена до 0,28 K система болометрів, що вимірювала фон у чотирьох частотних каналах (90, 150, 240 і 400 ГГц) з кутовим дозволом 3 градуси. Під час польоту спостереженнями було вкрито близько 3% небесної сфери.

Зареєстровані в експерименті «Бумеранг» температурні неоднорідності реліктового випромінювання з характерною амплітудою 0,0001 До підтвердили правильність «акустичної» моделі та показали, що чотиривимірну просторово-часову геометрію Всесвіт можна вважати плоскою. Отримана інформація дозволила також судити і про склад Всесвіту: підтвердилося, що звичайна баріонна речовина, з якої складаються зірки, планети та міжзоряний газ, становить близько 4% маси; а решту 96% укладено у невідомих поки що формах матерії.

Експеримент «Бумеранг» був чудово доповнений подібним до нього експериментом MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), в основному виконаним вченими США та Італії. Їхня апаратура, що літала в стратосферу в серпні 1998 і в червні 1999, досліджувала менше 1% небесної сфери, але з високим кутовим роздільною здатністю: близько 5". Аеростат здійснював нічні польоти над континентальною частиною США. Головне дзеркало телескопа мало діаметр 1,3. Приймальна частина апаратури складалася з 16 детекторів, що покривали 3 частотні діапазони.Вторинні дзеркала охолоджувалися до кріогенної температури, а болометри - навіть до 0,1 K. Таку низьку температуру вдавалося підтримувати до 40 годин, чим обмежувалася тривалість польоту.

Експеримент MAXIMA виявив дрібну «зиб» у кутовому розподілі температури реліктового випромінювання. Його дані були доповнені спостереженнями наземної обсерваторії за допомогою інтерферометра DASI (Degree Angular Scale Interferometer), встановленого радіоастрономами університету Чикаго (США) на Південному полюсі. Цей 13-елементний кріогенний інтерферометр спостерігав у десяти частотних каналах у діапазоні 26–36 ГГц і виявив ще дрібніші флуктуації реліктового випромінювання, причому залежність їхньої амплітуди від кутового розміру добре підтверджує теорію акустичних коливань, успадкованих від молодих.

Крім вимірювань інтенсивності реліктового випромінювання із Землі, плануються і космічні експерименти. У 2007 році передбачається запустити в космос радіотелескоп «Planck» (Європейське космічне агентство). Його кутовий дозвіл буде істотно вищим, а чутливість приблизно в 30 разів краща, ніж в експерименті COBE. Тому астрофізики сподіваються, що багато фактів про початок існування нашого Всесвіту буде з'ясовано (див. рис. 1).

Володимир Сурдін

Література:

Зельдович Я.Б., Новіков І.Д. Будова та еволюція Всесвіту. М., 1975
Космологія: теорія та спостереження. М., 1978
Вайнберг. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981
Сілк Дж. Великий вибух. Народження та еволюція Всесвіту. М., 1982
Сюня Р.А. Мікрохвильове фонове випромінювання. - У кн.: Фізика космосу: Маленька енциклопедія. М., 1986
Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космологія раннього Всесвіту. М., 1988
Новіков І.Д. Еволюція Всесвіту. М., 1990