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
Радиоизлучение и микроволны
микроволны: миллиметровые (мм), сантиметровые (см), дециметровые (дм)
энергия E — до 0,001 эВ
температура Т — до 2 К
частота ν (ню) — до 200 ГГц = 2 ·10 11 Гц
длина волны λ (лямбда) — от 1 мм
ультракороткие волны (УКВ): дециметровые, метровые
E — до 4 ·10 –6 эВ
Т — до 0,01 К
ν — до 1 ГГц = 10 9 Гц
λ — от 30 см
короткие (КВ), средние (СВ), длинные (ДВ) волны
E — до 1,2 ·10 –8 эВ
Т — до 0,0003 К
ν — до 30 МГц = 3 ·10 7 Гц
λ — от 10 м
сверхдлинные волны (СДВ)
E — до 4 ·10 –10 эВ
Т — до 10 –6 К
ν — до 100 КГц
λ — от 3 км
Диапазон радиоизлучения противоположен гамма-излучению и тоже неограничен с одной стороны — со стороны длинных волн и низких частот.
Инженеры делят его на множество участков. Самые короткие радиоволны используют для беспроводной передачи данных (интернет, сотовая и спутниковая телефония); метровые, дециметровые и ультракороткие волны (УКВ) занимают местные теле- и радиостанции; короткие волны (КВ) служат для глобальной радиосвязи — они отражаются от ионосферы и могут огибать Землю; средние и длинные волны используют для регионального радиовещания. Сверхдлинные волны (СДВ) — от 1 км до тысяч километров — проникают сквозь соленую воду и применяются для связи с подводными лодками, а также для поиска полезных ископаемых.
Энергия радиоволн крайне низка, но они возбуждают слабые колебания электронов в металлической антенне. Эти колебания затем усиливаются и регистрируются.
Атмосфера пропускает радиоволны длиной от 1 мм до 30 м. Они позволяют наблюдать ядра галактик, нейтронные звезды, другие планетные системы, но самое впечатляющее достижение радиоастрономии — рекордно детальные изображения космических источников, разрешение которых превосходит десятитысячную долю угловой секунды.
Микроволны
Микроволны — это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне.
Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название — микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К.
Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий.
А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разогрев завтрака и разговоры по мобильному телефону.
Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками. Есть также проекты передачи энергии на расстояние с помощью СВЧ-пучков.
Источники
Крабовидная туманность в радиодиапазоне
Крабовидная туманность — наиболее изученный остаток взрыва сверхновой. На данном изображении показано, как она выглядит в радиодиапазоне.
Радиоизлучение генерируется быстрыми электронами при движении в магнитном поле. Поле заставляет электроны поворачивать, то есть двигаться ускоренно, а при ускоренном движении заряды испускают электромагнитные волны. По этому изображению, которое построено по данным наблюдений американской Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), можно судить о характере магнитных полей в Крабовидной туманности.
Компьютерная модель распределения вещества во Вселенной
Изначально распределение вещества во Вселенной было почти идеально равномерным. Но все же небольшие (возможно даже квантовые) флуктуации плотности за многие миллионы и миллиарды лет привели к тому, что вещество фрагментировалось.
На рисунке представлен результат компьютерного моделирования эволюции Вселенной. Рассчитывалось движение 10 млрд частиц под действием взаимного тяготения на протяжении 15 млрд лет. В результате сформировалась пористая структура, отдаленно напоминающая губку. Скопления-галактики концентрируются в ее узлах и ребрах, а между ними находятся обширные пустыни, где почти нет объектов, — астрономы называют их войдами (от англ. void — пустота).
Похожие результаты дают наблюдательные обзоры распределения галактик в пространстве. Для сотен тысяч галактик определяются координаты на небе и красные смещения, по которым вычисляются расстояния до галактик.
Правда, достичь хорошего согласия расчетов и наблюдений удается, только если предположить, что видимое (светящееся в электромагнитном спектре) вещество составляет всего около 5% всей массы Вселенной. Остальное приходится на так называемые темную материю и темную энергию, которые проявляют себя только своим тяготением и природа которых пока не установлена. Их изучение — одна из наиболее актуальных задач современной астрофизики.
Квазар: активное ядро галактики
Когда на сверхмассивную черную дыру в центре галактики аккрецирует слишком много вещества, выделяется огромное количество энергии.
Эта энергия разгоняет часть вещества до околосветовых скоростей и выбрасывает его релятивистскими плазменными джетами в двух противоположных направлениях перпендикулярно оси аккреционного диска. Когда эти джеты сталкиваются с межгалактической средой и тормозятся, входящие в них частицы испускают радиоволны.
На радиоизображении квазара красным цветом показаны области высокой интенсивности радиоизлучения: в центре активное ядро галактики, а по бокам от него — два джета. Сама галактика в радиодиапазоне практически не излучает.
Радиогалактика: карта изолиний радиояркости
Для изображения космических объектов в диапазонах излучения, отличных от видимого, используются различные приемы. Чаще всего это искусственные цвета и карты изолиний.
С помощью искусственных цветов можно показать, как выглядел бы объект, если бы светочувствительные рецепторы человеческого глаза были чувствительны не к определенным цветам в видимом диапазоне, а к другим частотам электромагнитного спектра.
Карты изолиний обычно используются для представления изображений, полученных на одной длине волны, что особенно характерно для радиодиапазона. По принципу построения они подобны горизонталям на топографической карте, только вместо точек с фиксированной высотой над горизонтом ими соединяют точки с одинаковой радиояркостью источника на небе.
Приемники
Микроволновый орбитальный зонд WMAP
Космический фон микроволнового излучения, называемый также реликтовым излучением, создает радиошум, который почти одинаков во всех направлениях на небе. И всё же в нем есть очень небольшие вариации интенсивности — около тысячной доли процента. Это следы неоднородностей плотности вещества в молодой Вселенной, которые послужили зародышами для будущих скоплений галактик.
Изучение микроволнового фона было начато наземными радиотелескопами, продолжено советским прибором «Реликт-1» на борту спутника «Прогноз-9» в 1983 г. и американским спутником COBE (Cosmic Background Explorer) в 1989 г., но самую подробную карту распределения микроволнового фона по небесной сфере построил в 2003 г. зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).
Полученные данные накладывают существенные ограничения на модели образования галактик и эволюции Вселенной.
Система радиотелескопов ALMA (строится)
У радиотелескопа, как и у оптического, разрешение пропорционально диаметру, а чувствительность — площади антенны. Строить подвижные антенны крупнее 100 метров невозможно из-за ограничений по прочности конструкции. Но можно совместно обрабатывать излучение, собранное несколькими небольшими радиотелескопами, как бы синтезируя большое зеркало из маленьких кусочков.
Такая система называется радиоинтерферометром. Строящийся в Чили радиоинтерферометр ALMA будет состоять из 64 12-метровых антенн, размещенных на территории поперечником 15 км. Система будет работать в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Последний доступен благодаря тому, что строительство ведется на высоте более 5 тысяч метров в условиях очень сухого климата.
В радиоастрономии уже давно применяются интерферометры с антеннами, размещенными на разных континентах. В последнее время принцип интерферометра стали использовать и в оптическом диапазоне, например, в системе из четырех 8-метровых телескопов VLT Европейской Южной обсерватории.
Схема радиотелескопа
Радиотелескоп устроен отчасти подобно оптическому телескопу. Он тоже имеет параболическое зеркало, которое собирает радиоволны. Однако из-за большой длины радиоволн в фокусе нельзя получить изображение объекта, поскольку размер пиксела должен быть не меньше длины волны.
Поэтому в фокусе радиотелескопа вместо камеры (как в оптических инструментах) устанавливается единственный радиометр, измеряющий интенсивность собранного излучения. А для получения изображения радиотелескопу приходится линия за линией сканировать выбранный участок неба. Результат обычно представляют картой изолиний радиояркости, хотя может быть построено и обычное полутоновое изображение.
Обзоры неба
Небо в микроволновом диапазоне 1,9 мм (WMAP)
Космический микроволновый фон, называемый также реликтовым излучением, представляет собой остывшее свечение горячей Вселенной. Впервые оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия 1978 г.) Первые измерения показали, что излучение совершенно однородно по всему небу.
В 1992 году было объявлено об открытии анизотропии (неоднородности) реликтового излучения. Этот результат был получен советским спутником «Реликт-1» и подтвержден американским спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне). COBE также определил, что спектр реликтового излучения очень близок к чернотельному. За этот результат присуждена Нобелевская премия 2006 года.
Вариации яркости реликтового излучения по небу не превышают одной сотой доли процента, но их наличие указывает на едва заметные неоднородности в распределении вещества, которые существовали на ранней стадии эволюции Вселенной и послужили зародышами галактик и их скоплений.
Однако точности данных COBE и «Реликта» было недостаточно для проверки космологических моделей, и поэтому в 2001 году был запущен новый более точный аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который к 2003 году построил детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик.
Спектр реликтового излучения
Реликтовое излучение возникло, когда возраст Вселенной составлял около 400 тысяч лет и она вследствие расширения и остывания стала прозрачна для собственного теплового излучения. Первоначально излучение имело планковский (чернотельный) спектр с температурой около 3000 K и приходилось на ближний инфракрасный и видимый диапазоны спектра.
По мере расширения Вселенной реликтовое излучение испытывало красное смещение, что приводило к снижению его температуры. На сегодня температура реликтового излучения составляет 2,7 К и оно приходится на микроволновый и дальний инфракрасный (субмиллиметровый) диапазоны спектра. На графике показан приближенный вид планковского спектра для этой температуры. Впервые спектр реликтового излучения был измерен спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне), за что в 2006 году была присуждена Нобелевская премия.
Радионебо на волне 21 см, 1420 МГц (Dickey & Lockman)
Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см — это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.
Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте.
Радионебо на волне 73,5 см, 408 МГц (Бонн)
Это самый длинноволновый из всех обзоров неба. Он был выполнен на волне, на которой в Галактике наблюдается значительное число источников. Кроме того, выбор длины волны определялся техническими причинами. Для построения обзора использовался один из крупнейших в мире полноповоротных радиотелескопов — 100-метровый боннский радиотелескоп.
Земное применение
Микроволновая печь
Главное преимущество микроволновой печи — прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности.
Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи. Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы.
А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон).
Сотовый телефон
Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям.
Радиус действия базовой станции — размер соты — от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.
В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа.
Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет.
Телевизор
Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.
Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора — в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда — высокая яркость, низкая амплитуда — темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций).
С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется.
Спутниковая тарелка
Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа, но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений.
Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд — 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см, и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м.
Источник