Фоновое излучение вселенной это

Что такое космический микроволновый фон?

Космический микроволновый фон — это остаточное тепло, оставшееся с первых лет сразу после Большого взрыва. Это важнейшее свидетельство в поддержку теории большого взрыва.

Предполагается, что наша Вселенная началась с Большого взрыва; Вселенная была упакована в крохотное пространство, которое взорвалось и сформировало космос, который мы сейчас видим вокруг нас. Одним из наиболее важных доказательств, подтверждающих эту теорию, является остаточное излучение, которое все еще можно найти в пустых просторах космоса — космический микроволновый фон.

Космический микроволновый фон

В ночном небе мы видим космос таким, какой он есть на самом деле, черным как смоль. Когда мы наблюдаем звезды и планеты на небе, кажется, что между ними огромные расстояния, расстояние, заполненное абсолютно ничем, просто черной пустотой.

Вы можете вообразить, что если бы вы исследовали эту пустоту, вы бы ничего не нашли, но реальность ситуации противоречит интуиции. Когда это пространство между объектами прощупывается на предмет радиации, оно показывает слабый микроволновый статический сигнал, невидимый для наших глаз. Кажется, что статика присутствует, куда бы вы ни смотрели. Независимо от того, сколько помех вы удалите, он покажет микроволновую диаграмму, в отличие от всего, что мы видели раньше.

Так как эта закономерность находится везде, куда мы смотрим, ее источником должно быть нечто, охватывающее всю вселенную. Однако, конечно, мы знаем, что не существует сверхразмерного источника энергии, излучающего этот статический микроволновый узор во всех направлениях Вселенной.

Этот статический микроволновой узор известен как Космический микроволновой фон (Реликтовое излучение), и обычно считается остатком тепла от Большого взрыва.

Теория большого взрыва и реликтовое излучение

Теория большого взрыва — это гипотеза возникновения и эволюции нашей Вселенной. Согласно теории, происхождение Вселенной можно проследить до конечного времени в прошлом, когда вся она была упакована в пространство невероятно высокой плотности и температуры. Это называется рождением Вселенной, поскольку законы Вселенной, которые мы знаем сегодня, начали возникать вместе с расширением пространства.

На начальных этапах Вселенная была чрезвычайно плотной и горячей.

После сингулярности наша Вселенная прошла различные фазы. Изначально плотность была очень высокой, а температура была слишком высокой для образования строительных блоков материи. Например, на этих ранних этапах размер Вселенной составлял примерно одну стомиллионную от размера Вселенной сегодня, а температура была 273 миллиона градусов выше абсолютного нуля (абсолютный ноль — это самая низкая температура, которая теоретически возможна — ноль Кельвина). Плотность материи тогда была столь же нелепой, примерно такой же, как плотность воздуха на поверхности Земли.

Реликтовое излучение — это излучение, являющееся остатком огромного тепла младенчества Вселенной. Это тепло не позволяло атомам образовываться на более ранних стадиях, поэтому впоследствии они были разбиты на фотоны и электроны. Таким образом, космические микроволновые фоновые фотоны просто рассеяли электроны, и фотоны бесцельно блуждали, как «оптический свет блуждает сквозь плотный туман».

Вселенная остыла достаточно для образования атомов, но блуждающие фотоны не взаимодействовали с атомами водорода и вместо этого начали двигаться по прямым линиям. Вселенная стала более прозрачной, и в это время последние фотоны попадают в материю. Это было 380 000 лет после Большого взрыва, и мы знаем это, потому что, когда мы изучаем реликтовый фон сегодня, его можно датировать тем временем, когда непрозрачность Вселенной стала излучением.

Эта эпоха также известна как «последнее рассеяние», аналогично тому, как мы можем видеть сквозь воздух облака, но не сквозь плотные облака. Таким образом, космологи могут видеть далекое начало Вселенной, но только после последнего рассеяния и видимой непрозрачности Вселенной.

Художественное изображение Наблюдаемой Вселенной в логарифмическом масштабе. В центре Солнечная система, далее наша галактика Млечный Путь, соседние и дальние галактики, крупномасштабная структура Вселенной и реликтовое излучение. По краю изображена невидимая плазма Большого взрыва.

Реликтовое излучение было обнаружено случайно

В 1948 году американский космолог Ральф Алфер впервые предсказал реликтовое излучение. Он сделал это со своими коллегами Робертом Херманом и Георгием Гамовым в рамках их исследования нуклеосинтеза Большого взрыва. В то время их предсказание не получило особой поддержки, поскольку астрономическое сообщество не было очень заинтриговано космологией.

Впоследствии, в 1960-х годах, была выдвинута теория, что Реликтовое излучение может быть обнаружено, но только в 1965 году оно было окончательно «замечено». Арно Пензиас и Роберт Уилсон строили радиоприемник для Bell Telephone Laboratories в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси, для экспериментов в области спутниковой связи. Они столкнулись с излучением, которое было раздражающим источником слишком большого количества шума. Сколько ни пытались убрать помехи, излучение никуда не делось. Достаточно скоро они поняли, что-то, что они обнаружили, было (на тот момент только теоретически) космическим фоновым излучением, и написали статью, в которой опубликовали свое открытие.

Арно Пензиас и Роберт Уилсон разделили Нобелевскую премию по физике в 1978 году за случайное открытие реликтового излучения.

Полезность реликтового излучения

Реликтовое излучение не только служит основным доказательством теории Большого взрыва, но и является полезным инструментом для ученых, позволяющим понять более ранние состояния Вселенной. Это также связано с фактом его очевидной повсеместности, поскольку оно наблюдается одинаково во всех регионах с однородной температурой, но демонстрирует незначительные колебания при наблюдении с помощью точных телескопов. Эти флуктуации можно изучить, чтобы измерить параметры теории и понять происхождение галактик и последующих крупномасштабных структур.

Это реликтовое излучение также позволило НАСА сделать первый снимок Вселенной как младенца. В 1989 году НАСА запустило свою миссию Cosmic Background Explorer (COBE), которая нанесла на карту первую космическую полноразмерную карту Вселенной.

Эта карта была дополнительно уточнена в 2003 году микроволновым анизотропным зондом Уилкинсона (WMAP), который был запущен в 2003 году. Он не только дал более подробную карту, но и оценил возраст Вселенной в 13,7 лет, который был дополнительно исправлен до 13,8 миллиарда лет. Это дало более ясное понимание содержания нашей Вселенной, которая состоит на 4% из атомов, на 23% из неизвестного типа темной материи и на 73% из таинственной темной энергии.

По мере дальнейшего анализа и изучения реликтового излучения, оно, несомненно, продолжит проливать свет на многие другие наши любимые вопросы о Вселенной!

Источник

Космическое микроволновое фоновое излучение

Космическое микроволновое фоновое излучение

Рели́ктовое излуче́ние (или космическое микроволновое фоновое излучение от англ. cosmic microwave background radiation ) [1] — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Содержание

Природа излучения

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов. Благодаря эффекту Комптона, фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, испытывая с ними упругие столкновения и обмениваясь энергией. 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, для электронов стало энергетически предпочтительней, соединившись с протонами — ядрами водорода и альфа-частицами — ядрами гелия, сформировать атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны перестали рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной, температура излучения снизилась и сейчас составляет 2,725 К.

История исследования

Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К [2] . Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов. В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили радиометр Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке прибора выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорвали куш, парни». Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию за их открытие.

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Тем не менее, в 2006 году Нобелевская премия по физике за это была присуждена американцам, объявившим о подобном открытии тремя месяцами позже на основании данных эксперимента COBE. [3]

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer, выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата

Свойства

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6,706 мК [4] ), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчёта, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с [5] . Красное смещение для реликтового излучения немного превосходит 1000. [6]

Источник