Реликтовое излучение Вселенной, Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д., 2003
Реликтовое излучение Вселенной, Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д., 2003.
Монография посвящена проблеме происхождения реликтового электромагнитного излучения, включая вопросы его спектрального распределения, анизотропии и поляризации.
Сделана попытка продемонстрировать, каким образом современный аппарат теоретической физики может быть использован для исследования свойств космической плазмы и как, используя достижения астрофизики, можно расширить пределы нашего знания о таких фундаментальных явлениях природы, как гравитация, относительность и релятивизм.
Для специалистов-астрофизиков.
Современные данные о спектре реликтового излучения во Вселенной.
Спустя всего год после публикации статьи А. Пензиаса и Р. Вилсона, их коллеги Т.Ф. Хоуэлл и Дж.Р. Шейкшафт [Howell, Shakeshaft, 1966] измерили температуру реликтового излучения на длине волны 20,7 см, которая оказалась равной 2,8 ± 0,6 К. Близкие значения температуры, но в диапазоне 3,2 см (Т = = 3,0 ± 0,5 К), в этом же году были получены Роллом и Уилкинсоном [Roll, Wilkinson, 1966], Дж. Филдом и Дж. Хичкоком [Field, Hitchcock, 1966] (T = 3,2 ± 0,5 К на длине волны 0,264 см) и целым рядом других авторов уже в более поздний период.
В табл. 1.1 мы приводим полную сводку данных по измерению температуры реликтового излучения, начиная с частот 408 МГц и до 300 ГГц [Nordberg, Smoot, 1998]. Несмотря на большое число (
60) экспериментов по измерению температуры РИ не все они обладают одинаковой информативностью. Довольно часто высокий уровень систематических погрешностей приводит к значительному разбросу средних значений ТR. В этой связи на рис. 1.1 мы приводим селективные данные для ряда экспериментов, выполненных за период конца восьмидесятых — начала девяностых годов и отличающихся крайне низким уровнем шумов (ссылки на эти эксперименты имеются в табл. 1.1).
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Реликтовое излучение Вселенной, Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д., 2003 — fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу
Источник
Реликтовое излучение Вселенной, Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д., 2003
Реликтовое излучение Вселенной, Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д., 2003.
Монография посвящена проблеме происхождения реликтового электромагнитного излучения, включая вопросы его спектрального распределения, анизотропии и поляризации.
Сделана попытка продемонстрировать, каким образом современный аппарат теоретической физики может быть использован для исследования свойств космической плазмы и как, используя достижения астрофизики, можно расширить пределы нашего знания о таких фундаментальных явлениях природы, как гравитация, относительность и релятивизм.
Для специалистов-астрофизиков.
Современные данные о спектре реликтового излучения во Вселенной.
Спустя всего год после публикации статьи А. Пензиаса и Р. Вилсона, их коллеги Т.Ф. Хоуэлл и Дж.Р. Шейкшафт [Howell, Shakeshaft, 1966] измерили температуру реликтового излучения на длине волны 20,7 см, которая оказалась равной 2,8 ± 0,6 К. Близкие значения температуры, но в диапазоне 3,2 см (Т = = 3,0 ± 0,5 К), в этом же году были получены Роллом и Уилкинсоном [Roll, Wilkinson, 1966], Дж. Филдом и Дж. Хичкоком [Field, Hitchcock, 1966] (T = 3,2 ± 0,5 К на длине волны 0,264 см) и целым рядом других авторов уже в более поздний период.
В табл. 1.1 мы приводим полную сводку данных по измерению температуры реликтового излучения, начиная с частот 408 МГц и до 300 ГГц [Nordberg, Smoot, 1998]. Несмотря на большое число (
60) экспериментов по измерению температуры РИ не все они обладают одинаковой информативностью. Довольно часто высокий уровень систематических погрешностей приводит к значительному разбросу средних значений ТR. В этой связи на рис. 1.1 мы приводим селективные данные для ряда экспериментов, выполненных за период конца восьмидесятых — начала девяностых годов и отличающихся крайне низким уровнем шумов (ссылки на эти эксперименты имеются в табл. 1.1).
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Реликтовое излучение Вселенной, Насельский П.Д., Новиков Д.И., Новиков И.Д., 2003 — fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу
Источник
Реликтовое излучение, часть 1: улики «Большого взрыва»
Реликтовое излучение — свет от первичной плазмы ранней Вселенной, который сейчас регистрируется в виде микроволнового фона, — помогло разрешить множество вопросов космологии. Благодаря нему теория Большого взрыва стала стандартной теорией о Вселенной. И сейчас мы всё еще продолжаем получать важную информацию, изучая реликтовое излучение. Но в нем имеются аномалии, которые ученые до сих пор не понимают. Среди них — холодное пятно, с которым связана одна из самых горячих дискуссий в современной космологии.
Откуда взялось реликтовым излучение?
Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась Вселенная? По сути, реликтовое излучение – это то, что осталось от «строительства Вселенной», когда она начала только зарождаться после расширения плотной горячей плазмы. Для того чтобы проще было понять что такое реликтовое излучение сравним его с остатками человеческой деятельности. К примеру, человек изобретает что-то, другие это покупают, употребляют и выбрасывают отходы. Так вот мусор (тот самый результат жизни человека) – это и есть аналог реликтового излучения. По мусору можно узнать все – где человек был в определенный промежуток времени, что он ел, во что был одет, и даже о чем вел беседу. Также и реликтовое излучение. По его свойствам ученые пытаются построить картину момента большого взрыва, что возможно даст ответ на вопрос: как появилась Вселенная? Но все же, законы сохранения энергии создают определенные разногласия о возникновении вселенной, потому что ничто из ниоткуда не берется и никуда не девается. Динамика нашей вселенной – это переходы, смена свойств и состояний. Это можно наблюдать даже на нашей планете. К примеру, шаровая молния появляется в сгустке облака из частиц воды?! Как? Как так может быть? Никто не может объяснить происхождение тех или иных законов. Есть только моменты открытия этих законов, как и история открытия реликтового излучения.
Карта реликтового излучения
Литература
- Дж. Ф. Смут.
Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение // УФН. — 2007. — Т. 177, № 12. — С. 1294. — DOI:10.3367/UFNr.0177.200712d.1294. - Jean-Marc Bonnet-Bidaud.
The Diffuse Light of the Universe — On the Microwave Background Before and After Its Discovery: Open Questions (англ.) // Foundations of Physics. — 2020. — DOI:10.1007/s10701-016-0056-1. — arXiv:1701.01017. - Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д.
Реликтовое излучение Вселенной. — М.: Наука, 2003. — 390 с. — ISBN 9785020063686.
Исторические факты изучения реликтового излучения
Антенна с помощью которой Пензиас и Уилсон открыли реликтовое излучение
Впервые о реликтовом излучении упоминал Георгий Антонович Гамов (Джордж Гамов), когда пытался объяснить теорию большого взрыва. Он предполагал, что некое остаточное излучение заполняет пространство постоянно расширяющейся вселенной. В 1941 году, изучая поглощение одной из звезд скопления змееносца, Эндрю Мак-Келлар заметил спектральные линии поглощения света, которые соответствовали температуре 2,7 к. В 1948 году Георгий Гамов, Ральф Альферт и Роберт Герман установили температуру реликтового излучение в 5 К. Позже Георгий Гамов предположил температуру меньше известной в 3 К. Но это было лишь поверхностное изучение этого, на то время никому не известного факта. В начале 60-х годов Роберт Дикке и Яков Зельдович получили те же результаты, что и Гамов фиксируя волны, интенсивность излучения которых не зависела от времени. Пытливому уму ученых пришлось создать специальный радиотелескоп для более точной регистрации реликтового излучения. В начале 80-х годов с развитием космической промышленности реликтовое излучение стали изучать более тщательно с борта космического аппарата. Удалось установить свойство изотропии реликтового излучения (одинаковые свойства во всех направлениях, к примеру, на север 5 шагов за 10 секунд и на юг 5 шагов будут тоже за 10 секунд). На сегодняшний день продолжаются изучения свойств реликтового изучения и историю его возникновения.
Отношение к Большому Взрыву
Первичная анизотропия
Поляризация
Реликтовое излучение поляризовано на уровне в несколько мкК. Выделяются E-мода (градиентная составляющая) и B-мода (роторная составляющая)[29] по аналогии с поляризацией электромагнитного излучения. E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 мкК, не может возникать вследствие взаимодействия с плазмой.
B-мода является признаком инфляции вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение B-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что B-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной E-модой[30].
На 2020 год наблюдательных подтверждений открытия B-моды нет. 17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2[31][32][33][34][35]. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат можно полностью отнести на счёт галактической пыли.[36]
Вторичная анизотропия
Вторичная анизотропия реликтового излучения возникает в процессе распространения фотонов на их пути от поверхности последнего рассеяния до наблюдателя, например, рассеяния на горячем газе или прохождения гравитационного потенциала[37].
Когда фотоны реликтового излучения стали распространяться беспрепятственно, обычная материя во Вселенной была в основном в виде нейтральных атомов водорода и гелия. Тем не менее, наблюдения галактик сейчас показывают, что большая часть объёма межгалактической среды состоит из ионизованного материала (так как есть несколько линий поглощения, связанных с атомами водорода). Это означает, что был период реионизации, в ходе которого некоторое количество вещества Вселенной было вновь разбито на ионы и электроны[38].
Фотоны микроволнового излучения рассеиваются на свободных зарядах, таких как электроны, которые не связаны в атомах. В ионизированной Вселенной такие заряженные частицы были выбиты из нейтральных атомов ионизирующим ультрафиолетовым излучением. Сегодня эти свободные заряды имеют достаточно низкую плотность в большей части объёма Вселенной, так что они не влияют заметно на реликтовое излучение. Однако если межгалактическая среда была ионизирована на очень ранних этапах расширения, когда Вселенная была намного плотнее, чем сейчас, то это должно было вызвать два основных следствия для реликтового излучения:
- мелкомасштабные флуктуации будут стёрты подобно тому, как при взгляде на объект сквозь туман детали объекта становятся нечёткими.
- процесс рассеяния фотонов на свободных электронах (томсоновское рассеяние) будет вызывать анизотропию поляризации реликтового излучения на больших угловых масштабах, которая будет коррелировать с температурной анизотропией.
Оба этих эффекта наблюдались космическим телескопом WMAP, что свидетельствует о том, что Вселенная была ионизирована на очень ранних этапах (на красном смещении более 17). Происхождение этого раннего ионизирующего излучения всё ещё является предметом научных дискуссий. Это излучение, возможно, включает свет самых первых звёзд, сверхновых, которые явились результатом эволюции этих звёзд, и ионизирующее излучение, возникающее при аккреционных дисках массивных чёрных дыр.
Два других эффекта, которые возникли в период между реионизацией и нашими наблюдениями реликтового излучения и которые являются причиной флуктуаций: эффект Сюняева — Зельдовича, заключающийся в том, что облако электронов высокой энергии рассеивает реликтовые фотоны и передаёт часть своей энергии им, и эффект Сакса — Вольфа, который вызывает смещение спектра фотонов от космического микроволнового фона в красную или фиолетовую область спектра по причине изменения гравитационного поля. Эти два эффекта связаны с влиянием структур в поздней Вселенной (красное смещение меньше или порядка 1). С одной стороны, они приводят к размыванию спектра реликтового излучения, так как накладываются на первичную анизотропию; с другой стороны — позволяют получить информацию о распространённости структур в поздней Вселенной, а также проследить за их развитием[37].
Какими свойствами обладает реликтовое излучение?
Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE
Спектр реликтового излучения равен 2,75 Кельвина, что аналогично саже охлажденной до такой температуры. Такое вещество всегда поглощает падающее на него излучение (свет), как бы вы на него не воздействовали. Хоть в магнитную катушку засовывайте, хоть ядерную бомбу кидайте, хоть прожектором светите. Такое тело тоже испускает малое излучение. Но это лишь доказывает тот факт, что нет ничего абсолютного. Всегда можно бесконечно долго выводить идеальный закон, добиваться максимума определенного свойства чего-либо, но всегда останется малая доля инерции.
Материалы по теме
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.
Содержание
- 1 Природа излучения
- 2 История исследования 2.1 Первое случайное обнаружение
- 2.2 Предсказание
- 2.3 Предыстория
- 2.4 Открытие
- 2.5 Исследование неоднородностей
- 3.1 Дипольная анизотропия
- 4.1 Первичная анизотропия
- 5.1 Анализ
Что дает нам изучение реликтового излучения?
Ранняя Вселенная была холодной, очень холодной. Почему Вселенная была такой холодной, и что случилось, когда началось расширение вселенной? Можно предположить, что из-за большого взрыва случился выброс огромного количества сгустков энергии за пределы вселенной, затем Вселенная остыла, почти замерзла, но со временем энергия начала собираться в сгустки снова, и возникла некая реакция, которая и запустила процесс расширения вселенной. Тогда откуда взялась темная материя и взаимодействует ли она с реликтовым излучением? Возможно реликтовое излучение – это результат разложения темной материи, что более логично, чем остаточное излучение большого взрыва. Поскольку темная энергия может являться антиматерией и частицы темной материи, сталкиваясь с частицами материи, образуют в материальном и антиматериальном мире излучение подобно реликтовому. На сегодняшний день это самая свежая, неизученная область науки, в которой можно достичь успехов и запечатлиться в истории науки и общества.
Источник