Реликтовое излучение
Одна из самых интригующих загадок в современной астрофизике — тёмная материя. Она названа так потому, что мы её не видим, но ирония в том, что многое из того, что мы узнали об этой загадочной и неуловимой субстанции, пришло от изучения света, известного нам как космическое микроволновое фоновое излучение или реликтовое излучение.
Доминирующая сегодня Теория Большого взрыва предсказывает, что ранняя Вселенная была крайне жарким местом и что по мере расширения газ внутри неё охлаждается. Если теория верна, вселенная должна быть заполнена остатком первобытного тепла, оставшегося от Большого взрыва. Это тепло и есть то самое реликтовое излучение. А значит, мы сегодня как никогда близко к познанию Mysterium Cosmographicum — всех тайн мироздания.
Что это такое космическое микроволновое фоновое излучение
В официальной науке реликтовое излучение предпочитают называть «космическим микроволновым фоновым излучением» (англ. cosmic microwave background или сокращённо CMB). «Реликтовым излучением» его начали величать с подачи русского астрофизика И. С. Шкловского, который и ввёл в обиход этот термин.
Если говорить простым языком, CMB — это слабое свечение, которое наполняет Вселенную, падая на Землю и другие космические объекты со всех сторон с почти равномерной интенсивностью. Это остаточная теплота творения — послесвечение большого взрыва, которое течёт в пространстве в течение последних
14 миллиардов лет, подобно теплу от нагретого камина, огонь, который уже погас.
Реликтовое излучение — это по сути электромагнитные волны, которые разошлись по ткани пространства-времени в самую раннюю космологическую эпоху, и пронизывают весь мир. Считается, что оно образовалось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва и несёт информацию о том, как образовались первые звёзды и галактики. Хотя это излучение невидимо с помощью оптических телескопов, радиотелескопы улавливают слабый сигнал (или фон), который является самым сильным в микроволновой области радиоспектра.
Карта (панорама) анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. По данным спутника WMAP
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.
Предпосылки открытия
История CMB начинается с Эдвина Хаббла, который сделал одно из самых потрясающих открытий 20-го века. В 1929 году он обнаружил, что вселенная расширяется. Сделав вывод, что «спиральные туманности» — это «островные вселенные», а не часть Млечного Пути, Хаббл измерил расстояния до звёзд Цефеиды и доказал, что звёздные объекты существуют и за пределами Солнечной системы. За этим последовало следующее открытие — все галактики, которые наблюдал Хаббл, удалялись от нас, а самые дальние галактики удалялись быстрее всего.
Его изначальные расчёты оказались с погрешностями, но сама концепция оказалась верной — он научно обосновал, что вселенная имеет не статическую, а динамическую природу, и у неё есть начало. Открытие Хаббла пришлось на то время, когда велась бурная работа по моделированию вселенной с использованием недавно разработанной Эйнштейном общей теории относительности.
Любопытно, что сам Эйнштейн сначала был приверженцем статической, а не динамической модели вселенной. Тем не менее, Жорж Леметр, бельгийский учёный и католический священник, доказал, что расширяющаяся вселенная вполне себе вписывается в уравнения Эйнштейна. Вдохновленный этим открытием, Леметр предположил, что Вселенная, началась с распада «первобытного атома». По его мнению, космические остатки этого атома образовали семена звёзд, галактик и других космических структур, которые мы видим сегодня. Но Леметр считал это холодным процессом. Но фундамент уже был заложен, а до открытия теории «горячей вселенной» остаётся ещё несколько десятилетий.
Теория происхождение космического микроволнового фона
Вдохновившись трудами Хаббла и Леметра, украинско-американский физик Георгий Гамов вместе со своими учениками и коллегами Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году разработали свою теорию. Она была основана на их исследованиях гипотетического протекания нуклеосинтеза лёгких элементов (водород, литий и гелий) в условиях очень ранней Вселенной. По сути, они поняли, что для синтеза ядер этих элементов ранняя Вселенная должна была быть не холодной, а наоборот, чрезвычайно горячей.
В известной статье, опубликованной в 1948 году, Ральф Альфер и Георгий Гамов предложили свою модель расширяющейся вселенной. Они утверждали, что ранняя вселенная была горячей и плотной и расширялась от изначально сверхплотного состояния. Учёные успешно рассчитали содержание водорода и гелия, но всё же допустили ошибку. Они считали, что тяжёлые элементы зарождались путём объединения нейтронов. Теперь же мы понимаем, что все элементы тяжелее лития создаются в ядрах звёзд.
Но это уже детали. Основополагающая суть оказалась верна — Вселенная рождена из большого взрыва бесконечно плотной и горячей сингулярности. А из-за её расширения, отголосок этого события должен сохраниться в виде фонового микроволнового излучения с низкой температурой, близкой к абсолютному нулю. Но это сегодня теория считается доминирующей и в ней почти нет сомнений. Тогда она была свежей гипотезой, которая нуждалась в физических доказательствах. И вскоре они появились.
Практика открытия
К началу 1960-х годов космология стала полем битвы двух конкурирующих теорий — большого взрыва и статической (стационарной) вселенной. У модели большого взрыва тогда была проблема — слишком молодой возраст вселенной (около двух миллиардов лет). Эта возрастная проблема делала очень сильными позиции учёных вроде Фреда Хойла, Германа Бонди и Томаса Голда, предлагающих теорию стационарного состояния, которая частично объясняла расширение Хаббла и предлагала новую физику статической вселенной, которая непрерывно создаёт новую материю.
Две теории, большого взрыва и статического состояния дали совершенно разные космологические концепции. В некотором смысле, «стационарная» модель была математически проще; она имела меньше сложных переменных параметров и позволяла делать более конкретные прогнозы.
Но в 1964 году астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон поставили жирный крест на всех распрях и дали миру железобетонные доказательства модели большого взрыва. Пытаясь откалибровать радиоантенну в Bell Labs, разработанную для обнаружения радиоволн от спутников, они заметили избыточный равномерный шум в небе, в 100 раз превышающий любой ожидаемый ими фон.
Сначала этот факт их сильно расстроил. Учёные посчитали, что тут одно из двух — либо антенна сконструирована неправильно, либо эфир засоряет «шум» с Земли. Они пошли на крайние меры, перебрав конструкцию с нуля и даже удалив всю пыль, мелкий сор и птичий помет из антенны, чтобы избавиться от этого фона. После кропотливой работы они обнаружили, что фон не исчезает. И его источник, не спутники, не Солнце и даже не наша собственная галактика. Он был внегалактическим и всеобъемлющем по своей природе, а его источник оставался загадочным.
В поисках объяснения, они наткнулись на работу астрономов Принстонского университета, которые искали реликтовое излучение в рамках изучения теории Большого Взрыва. Пензиас и Уилсон поняли, что обнаружили именно его. Обе группы опубликовали совместные статьи в «Астрофизическом журнале», описывающие открытие и интерпретирующие его как давно предсказанное космическое микроволновое фоновое излучение. За своё открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.
Первоначально обнаружение CMB стало источником раздора между сторонниками различных космологических теорий. Сторонники теории большого взрыва утверждали, что это было «реликтовое излучение», оставшееся от Большого взрыва, а сторонники теории статического состояния не сдавались и утверждали, что это лишь «звёздный свет от далёких галактик». Однако к 1970-м годам научный мир окончательно пришёл к консенсусу, приняв модель Большого взрыва в качестве основной.
Будущее реликтового излучения
Согласно различным космологическим теориям, Вселенная может в какой-то момент перестать расширяться и начать движение в обратном направлении, завершаясь коллапсом, за которым следует ещё один Большой взрыв. Так гласит так называемая теория Большого сжатия. В другом сценарии, известном как Большой Разрыв, расширение Вселенной в конечном итоге приведёт к разрыву всей материи и разрушению ткани пространства-времени.
Если ни один из этих сценариев не окажется правильным, и Вселенная продолжит расширяться с ускоряющейся скоростью, реликтовое излучение продолжит красное смещение до точки, где оно станет необнаружимым. В этот момент его окончательно перекроет свет первых звёзд, а затем фоновые радиационные поля, созданные другими процессами, которые произойдут в будущем. А сама Вселенная вскоре в конце концов придёт в состояние термодинамического равновесия, или так называемой «тепловой смерти». Но это не точно, ведь если с прошлым всё более или менее ясно, то будущее — непаханая нива для разного рода теорий и гипотез.
Постскриптум
Реликтовое излучение — это самый старый свет, который мы можем видеть. Самый дальний во времени и пространстве. Этот свет отправился в путешествие 14 миллиардов лет назад, задолго до того, как появилась Земля, наша Галактика и даже до рождения первых звёзд. Это период младенчества Вселенной, время, когда это было не холодное тёмное место, как сейчас, а огненный океан радиации и элементарных частиц.
На протяжении тысячелетий человек созерцал окружающий мир и стремился познать его истинную суть. Древние философы считали, что Земля — это диск, зиккурат или куб, окружённые небесными океанами или каким-то загадочным эфиром. Были и более экзотические тории, но развитие современной астрономии открыло глаза на реальное положение вещей. Правда, загадок от этого стало только больше.
К 20-му веку учёные начали понимать, насколько огромна (и, возможно, даже бесконечна) Вселенная на самом деле. И в процессе изучения космоса, учёные обнаружили действительно удивительные вещи. Например, в 1960-х астрономам стало известно о микроволновом фоновом излучении, которое можно пронизывает всё космическое пространство и даёт нам возможность путешествовать во времени и созерцать Вселенную такой, какой она была в самом начале.
Реликтовое излучение полезно для учёных, потому что оно помогает нам узнать, как была сформирована ранняя Вселенная. Его изучение не просто даёт общую картину, а демонстрирует конкретные физические законы, которые стояли за процессами мироздания. И изучая его, человечество заглядывает в прошлое и развивает туман над будущим, получая знание о том, какое будущее ждёт наш общий дом миллиарды лет спустя.
Источник
Реликтовое свечение Вселенной
Фоновое или реликтовое излучение Вселенной каждую секунду падает непрерывным потоком на поверхность Земли. Невооруженным глазом видна только крошечная часть излучения Вселенной, хотя, если бы мы могли увидеть весь электромагнитный спектр, небо пылало бы этим исконным излучением и днем, и ночью. Не нужно думать, что часть этого скрытого света представляет собой совсем невыразительное свечение.
Длинноволновое универсальное свечение – космический микроволновой фон или реликтовое излучение – показывает изменения которые произошли. Космический микроволновый фон несет в себе образ нашей Вселенной, какой она была сразу после своего рождения, и это открытие дало нам доказательства того, что начало Вселенной действительно было положено Большим Взрывом.
Радиоволны – посланники с информацией
Вдоль западного побережья Южной Африки растянулась пустыня Намиб. Это старейшая в мире пустыня; ее ландшафт — непостоянное море песка протяженностью более чем 77 700 квадратных километров, меняющееся каждую минуту. Это самая засушливая пустыня на планете, которая не видела влаги на протяжении более чем пятидесяти миллионов лет. Это мир, вылепленный Солнцем. Его энергия движет ветром, который собирает крошечные песчинки в великолепные дюны, и цвета, скрытые в его свете, раскрашивают пейзаж в темно-оранжевый цвет. Но даже тогда, когда солнце садится, пустыня продолжает сиять светом и цветом, однако человеческий глаз не может этого видеть.
Видимый свет представляет собой крошечную долю света Вселенной. За пределами красного электромагнитный спектр простирается далеко на волнах, слишком длинных для того, чтобы наш глаз мог их видеть. В пустыне Намиб вы можете почувствовать этот свет, если поднесёте ладони к песку. Дюны хранят тепло еще долгое время после захода солнца, и это остаточное тепло — не более чем длинноволновой свет. Ученый назвал бы его инфракрасным светом: длина волны инфракрасного света больше, чем длина волны видимого света. Путешествуя далее по всему спектру, минуя инфракрасный свет, мы прибываем к микроволнам: спектр плавно переходит в область радиоволн, длина которых размером с гору.
При мониторинге радиоэфира вы настраиваетесь не на звуковые волны — вы собираете информацию, закодированную в отрезке электромагнитного спектра. Во Вселенной существует много видимого, не искусственного света, и существуют естественные микроволны и радиоволны. Это посланники, несущие по всей Вселенной подробную информацию о далеких местах и временах и отправляющие ее в наш технологически созданный искусственный глаз.
Эхо Большого Взрыва
Если пройтись старым радиоприемником по эфиру то можно услышать статический шум между станциями. Около 1 процента от него — музыка для ушей физика, потому что с этим звуком мы воспринимаем то, как растягиваются радиоволны, путешествовавшие по пространству с начала времен.
Глубоко в статике возникает эхо Большого Взрыва. Эти радиоволны были когда-то видимым светом, но этот свет возник спустя 400 тысяч лет после Большого Взрыва. До него наблюдаемая рождаемая Вселенная была гораздо меньше и горячее, чем сегодня. Ее температура составляла 273 миллиона градусов по Цельсию, а это на порядок жарче, чем в центре звезды, так жарко, что ядра водорода и гелия не смогли бы удержать свои электроны в атомах. Материя положившая началу Вселенной была перегретым шаром голых атомных ядер и электронов, то есть представляла собой плазму. Свет не может передвигаться далеко в плотной плазме, поскольку он отражается от электрически заряженных субатомных частиц.
Только тогда, когда Вселенная расширилась и охладилась достаточно для того, чтобы электроны смогли комбинироваться с ядрами водорода и гелия в атомы, — только тогда свет смог свободно перемещаться. Этот эпизод эволюции Вселенной ученые называют рекомбинацией. До рождения Вселенная составляла около одной тысячной своего нынешнего размера и остыла до 3000 градусов по Цельсию. Это близко к температуре поверхности красных гигантов, так что вся совокупность вещества, энергии и пространства светились видимым светом, как огромные звезды.
С тех пор реликтовое излучение Вселенной стало свободно распространяться в Космосе.
Всё пространство стало холоднее и просторней, и некоторых из этих «блуждающих посланников» — растянутые волны света мы «собираем» сегодня при помощи радиомониторинга. Однако по мере расширения Вселенной растягивается и Космос. То же происходит и со светом — настолько, что он выходит за пределы видимой части спектра. Он вышел за пределы и инфракрасной части спектра, и теперь «видим» для нас только в микроволновой и радиоволновой частях спектра.
Эти слабые, длинные волны универсального свечения — космический микроволновый фон или реликтовое излучение Вселенной были открыты в 1964 году американскими физиками Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном и стали ключевым доказательством того, что вся совокупность вещества, энергии и пространства началась Большим Взрывом. За это открытие Пензиас и Уилсон были удостоены в 1978 году Нобелевской премии.
В нынешнее время наука астрономия и космология изучает крупномасштабное единое целое эволюции Вселенной.
Источник