Реликтовое излучение

30 ноября 2021

Реликтовое излучение – это фоновое микроволновое излучение, одинаковое во всех направления и имеет спектр, характерный для абсолютно черного тела при температуре ~ 2.7 K.

карта реликтового излучения

Открытие реликтового излучения.

В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт.Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо».К 1963 для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р.1936) и Арно Элан Пензиас (р.1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений.Антенна представляла собой 20-футовый рупор.Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих с широких площадок на небе.В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см.Арно Пензиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение.

Для точного измерения радиоизлучения Галактики необходимо было учесть все возможные помехи, вызываемые излучением земной атмосферы и поверхности Земли, а также помехи, возникающие в антенне, электрических цепях и приемниках.Предварительные испытания приемной системы показали несколько больший шум, чем ожидалось по расчетам, но казалось правдоподобным, что это связано с небольшим избытком шума в усилительных цепях.Чтобы избавиться от этих проблем, Пензиас и Уилсон использовали устройство, известное как «холодная нагрузка»: сигнал, приходящий от антенны, сравнивается с сигналом от искусственного источника, охлажденного жидким гелием при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля (4 K).В обоих случаях электрический шум в усилительных цепях должен быть одинаков, и поэтому полученная при сравнении разница дает мощность сигнала, идущего от антенны.Этот сигнал содержит вклады только от антенного устройства, земной атмосферы и астрономического источника радиоволн, попадающего в поле зрения антенны.

Пензиас и Уилсон ожидали, что антенное устройство будет давать очень небольшой электрический шум.Однако, чтобы проверить это предположение, они начали свои наблюдения на сравнительно коротких волнах длиной 7,35 см, на которых радиошум от Галактики должен быть пренебрежимо мал.Естественно, какой-то радиошум ожидался на такой длине волны и от земной атмосферы, но этот шум должен иметь характерную зависимость от направления: он должен быть пропорционален толщине атмосферы в том направлении, в каком смотрит антенна: немного меньше в направлении зенита, чуть больше в направлении горизонта.Ожидалось, что после вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не останется никакого существенного сигнала от антенны и это подтвердит, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал.После этого можно будет начать изучение самой Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение.(Отметим, что радиоволны с длинами в сантиметры или дециметры, вплоть до 1 м, обычно называют «микроволновым излучением».Такое название дано потому, что эти длины волн меньше, чем у тех ультракоротких волн, которые использовали в радарах в начале Второй мировой войны.)

К своему удивлению, Пензиас и Уилсон обнаружили весной 1964, что они принимают на длине волн 7,35 см довольно заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления.Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года.Следовательно, это не могло быть излучением Галактики, ибо в этом случае его интенсивность менялась бы в зависимости от того, смотрит антенна вдоль плоскости Млечного Пути или поперек.К тому же, если бы это было излучением нашей Галактики, то большая спиральная галактика М 31 в Андромеде, во многих отношениях похожая на нашу, тоже должна была бы сильно излучать на волне 7,35 см, а этого не наблюдалось.Отсутствие каких-либо вариаций наблюдаемого микроволнового шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиоволны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объема Вселенной.

Исследователям было ясно, что необходимо снова проверить, не может ли сама антенна производить больше электрического шума, чем ожидалось.В частности, было известно, что в рупоре антенны угнездилась пара голубей.Они были пойманы, отправлены по почте на принадлежащий компании «Белл» участок в Виппани, выпущены на волю, вновь обнаружены несколькими днями спустя на своем месте в антенне, снова пойманы и наконец утихомирены более решительными средствами.Однако во время аренды помещения голуби покрыли внутренность антенны тем, что Пензиас назвал «белым диэлектрическим веществом», которое при комнатной температуре могло быть источником электрического шума.В начале 1965 был демонтирован рупор антенны и вычищена вся грязь, однако это, как и все другие ухищрения, дало очень малое уменьшение наблюдаемого уровня шума.

Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью.Оказалось, что пространство излучает так, как будто бы оно нагрето до температуры 3,5 кельвина (точнее, достигнутая точность позволяла заключить, что «температура космоса» от 2,5 до 4,5 кельвина).Необходимо заметить, что это очень тонкий экспериментальный результат: например, если перед рупором антенны расположить брикет мороженого, то он сиял бы в радиодиапазоне, в 22 млн.раз более ярком, чем соответствующей участок неба.Обдумывая неожиданный результат своих наблюдений, Пензиас и Уилсон не торопились с публикацией.Но события развивались уже помимо их воли.

Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелем Бернарду Берку из Массачусетского технологического института.Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тсрнера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Филом Пиблслм, работавшим под руководством Роберта Дикке.В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K.

Пензиас позвонил Дикке, и обе группы исследователей встретились.Роберту Дикке и его коллегам Ф.Пиблсу, П.Роллу и Д.Уилкинсону стало ясно, что А.Пензиас и Р.Уилсон обнаружили реликтовое излучение горячей Вселенной.Ученые решили одновременно опубликовать два письма в престижном «Астрофизическом журнале» («Astrophysical Journal»).Летом 1965 были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением с помощью теории горячей Вселенной.По-видимому, не до конца убежденные в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон дали своей заметке скромное название: Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц.Они просто объявили, что «измерения эффективной зенитной температуры шума…дали значение на 3,5 K выше, чем ожидалось», и избежали всяких упоминаний о космологии, за исключением фразы, что «возможное объяснение наблюдаемой избыточной температуры шума дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в сопутствующем письме в этом же выпуске журнала».

В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения.Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой.Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 K.Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей.

Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965.Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи.

Наиболее точные измерения реликтового излучения проведены из космоса: это эксперимент «Реликт» на советском спутнике «Прогноз-9» (1983–1984) и эксперимент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американском спутнике COBE (Cosmic Background Explorer, ноябрь 1989–1993) Именно последний позволил точнее всего определить температуру реликтового излучения: 2,725 ± 0,002 K.

Природа излучения

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов.Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией — имели место рассеяние Томсона и Комптона.Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией).Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 380 000 лет.Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом.Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли.Эти фотоны (в связи с уже идущей рекомбинацией) избежали рассеяния и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться Вселенной. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния.Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля и сейчас составляет всего 2,725 К.

Свойства реликтового излучения

Мы неспособны наблюдать за реликтовое излучение невооружённым глазом.Оно невидимо для человека, потому что излучается только в микроволновой части электромагнитного спектра.Сегодня реликтовое излучение очень холодное, всего на 2,725° выше абсолютного нуля.При такой температуре основной спектр приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов.Плотность энергии реликтового излучения — 0,25 эВ/см3.Тем не менее, оно заполняет всё пространство и присутствует везде.Фактически, если бы наши сенсорные органы были способны видеть микроволны, все небо для нас сияло удивительным мягким светом, равномерным во всех направлениях.

Эта однородность — одна из основных причин, позволяющих интерпретировать реликтовое излучение как остаточное тепло Большого взрыва.Было бы очень трудно представить другой источник излучения, способный таким ровным фоном заполонить весь видимый космос.Многие учёные пытались придумать альтернативные объяснения источника этого света, но ни одно из них пока не является настолько убедительным, чтобы оспорить основную теорию.

Реликтовое изучение обладает одинаковой температурой с небольшими колебаниями, видимыми с помощью точных телескопов.Изучая эти колебания, космологи всё больше узнают о происхождении галактик и крупномасштабных галактических структурах, а также получают всё более точную картину сотворения мира, в рамках теории Большого взрыва.

Зачем изучать реликтовое излучение

Важно понимать, что реликтовое излучение — это одна из фундаментальных опор современной космологии.Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, астрономы, наблюдающие за далёкими объектами, фактически заглядывают в прошлое.Большинство звёзд, которые видны невооружённым глазом на ночном небе, находятся на расстоянии от 10 до 100 световых лет.Таким образом, мы видим их такими, какими они были 10–100 лет назад.Мы наблюдаем Андромеду, ближайшую большую галактику, но видим её такой, какой она была около 2,5 миллионов лет назад.Астрономы, наблюдающие за далёкими галактиками с помощью космического телескопа Хаббла, видят их такими, какими они были всего через несколько миллиардов лет после Большого взрыва.

Реликтовое излучение было испущено ~13,7 миллиардов лет назад, всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва, задолго до того, как образовались первые звёзды или галактики.Таким образом, изучая физические свойства излучения, мы можем пройти назад во времени почти к самому моменту зарождения Вселенной и что важнее, наблюдать физические механизмы, стоящие за этим процессом.

Интересные факты, связанные с исследованием реликтового излучения

Максимальная частота реликтового излучения была зарегистрирована в 160,4 ГГц, что равно 1,9 мм волне.А плотность такого излучения составляет 400-500 фотонов на см3.Реликтовое излучение – это самое старое, самое древнее излучение, которое можно наблюдать вообще во вселенной.Каждая частица пролетела 400 000 лет, чтобы достигнуть Земли.Не километров, а лет! По данным наблюдений спутника и математическим расчетам реликтовое излучение как бы стоит на месте, а все галактики и созвездия движутся относительно него с огромной скоростью, порядка сотни километров в секунду.Это как наблюдать в окно движущегося поезда.Температура реликтового излучения в направлении созвездия Льва на 0,1% выше, а в противоположном направлении на 0,1% ниже.Это объясняет движение Солнца в сторону данного созвездия относительно реликтового фона.

Источники:

https://spacegid.com/reliktovoe-izluchenie.html

https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/RELIKTOVOE_IZLUCHENIE.html

https://cosmosplanet.ru/kosmos/reliktovoe-izluchenie.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Реликтовое_излучение#Природа_излучения


Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]