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 излучение
Реликтовое излучение – это фоновое микроволновое излучение, одинаковое во всех направления и имеет спектр, характерный для абсолютно черного тела при температуре
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
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.
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.
Интересные факты, связанные с исследованием реликтового излучения
Материалы по теме
Что из себя представляют квазары? 
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.
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