Что такое реликтовое излучение на пальцах
Многие так или иначе сталкивались со словосочетанием «реликтовое излучение», но немногие могут объяснить что же это такое на самом деле.
Реликтовое излучение имеет прямое отношение к теории Большого Взрыва. Большой Взрыв начинается с того, что вся масса Вселенной была сосредоточенная в очень маленьком объеме, возможно даже в одной точке. Сразу после Большого Взрыва, произошедшего примерно 13.7 млрд лет назад, эта маленькая Вселенная начинает очень быстро и стремительно расширяться.
Спустя первые 100 000 лет расширения Вселенная имела еще достаточно большую плотность вещества внутри, что даже атомы еще не могли формироваться. В те времена Вселенная представляла собой очень горячую плазму, в которой в хаотичном порядке плавают и сталкиваются элементарные частицы.
Еще спустя примерно 280 000 лет Вселенная расширилась до тех пор, что вещество внутри нее начало остывать, средняя энергия стала меньше и протоны начали захватывать электроны образуя первые атомы (атомы водорода). Средняя температура во Вселенной при этом была чуть больше 2700 градусов по Цельсию.
Если в случае плотной и горячей Вселенной, наполненной плазмой, если какая-то частица испускала фотон, другими словами свет, то этот свет практически не распространялся и поглощался плотным веществом. А если в эпоху образования атомов частица испустит фотон, а фотонов они испускали очень много поскольку температура была еще достаточно велика, то для его распространения уже будет достаточно места. Итак, спустя 380 000 лет спустя Большого Взрыва фотоны смогли спокойно распространяться по Вселенной.
В эпоху образования первых атомов Вселенная была еще достаточно однородной, с редкими неоднородностями потому, что тогда раскаленная плазма только начала конденсироваться. Тогда еще не существовало большинство привычных нам структур, а существовало почти однородное горячее облако, наполненное только образовавшимися атомами водорода во всех точках нашей Вселенной.
Нам известно, что свет (фотоны) движется с ограниченной скоростью. Это значит, что свет от звезд, которые мы видим на ночном небе, шел до нас от нескольких тысяч до нескольких миллиардов лет. Многие слышали о таком понятии, как световой год. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год. Значит, если мы знаем, что расстояние от нас до какой-то конкретной звезды 100 000 световых лет, значит когда мы смотрим на эту звезду, мы видим так, как она выглядела 100 000 лет назад. Проще говоря, смотря в ночное небо, мы заглядываем в далекое прошлое.
Также и со светом, образовавшимся в эпоху рождения первых атомов. Поскольку в ту эпоху практически все точки Вселенной излучали свет, то от сильно удаленных от нас участков свет дошел только сейчас, спустя почти 13.7 млрд лет. Свет, дошедший до нас с тех далеких времен, это и называется реликтовым излучением . А поскольку до этого Вселенная была настолько плотной, что свет в ней не мог распространяться, то мы не можем заглянуть за это реликтовое излучение.
На данном изображении показана наблюдаемая нами область 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.
Источник
Реликтовое излучение, часть 1: улики «Большого взрыва»
Как космическое микроволновое фоновое излучение – остаточное свечение Большого взрыва – продолжает проливать свет на рождение нашей Вселенной
Анонс результатов работы BICEP2, показавший первое свидетельство того, что гравитационные волны могли появиться в ранней Вселенной, подогрел интерес к космологии у учёных и всех остальных. Гравитационные волны могут поляризовать КМФИ, остаточное свечение Большого взрыва, определённым образом, и именно поляризационный сигнал был обнаружен BICEP2, расположенным на Южном полюсе. Но самые последние данные поступили с телескопа Планка, и судя по ним, большая часть результатов BICEP2 может быть объяснена не гравитационными волнами, но близлежащей пылью, закрывающей наблюдаемое нами КМФИ.
Нам нужно ждать получения дополнительных данных, как от совместной работы BICEP2 и Планка, так и от других экспериментов, чтобы определить, какую долю в отнесённых на счёт гравитационных волн данных заняла космическая пыль. Ясно одно: научные блоги и новостные сайты будут следить за новыми открытиями. Этот текст – попытка помочь авторам будущих статей о новых исследованиях в КМФИ-космологии войти в контекст, начиная с основ КМФИ, как оно сформировалось и что оно может нам рассказать. Основной темой статьи будет интенсивность КМФИ (мы называем её температурой), а в следующей статье я подробнее поговорю о поляризации.
История
Первое обнаружение КМФИ в 1964 году произошло случайно. Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали над экспериментом в лаборатории Белла, и использовали надувные шары в качестве отражателей для передачи коммуникаций в микроволновом диапазоне между двумя точками. Для этого им нужно было узнать, не повлияет ли на их измерения какой-либо фоновый шум. Они обработали практически все шумы, кроме одного: однородного микроволнового излучения на 2,73 К, которое, как потом оказалось, появилось через 380 000 лет после Большого взрыва.
Со времени обнаружения (за которое учёные получили Нобелевскую премию по физике в 1978), несколько экспериментов на Земле и в космосе измеряли КМФИ со всё возрастающей точностью. В 1992 году эксперимент Cosmic Background Explorer (CoBE) провёл первые наблюдения за неравномерностью излучения – небольшими изменениями температуры, в 100 000 раз меньшими, чем средняя фоновая температура в 2,73 К. Затем Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) расширило наши познания о неравномерностях температур в 2003 году, а в 2013 Планк выдал самое точное измерение на сегодняшний день. Новые эксперименты не только увеличивают точность температурных измерений, но и уменьшают угловые размеры погрешностей.
Что такое КМФИ?
До формирования КМФИ обычными компонентами Вселенной были свет (фотоны), ядра водорода и гелия, и свободные электроны. (Да, были ещё нейтрино и тёмная материя, но о них в другой раз). Поскольку свободные электроны заряжены отрицательно, они взаимодействуют с фотонами в так называемом рассеянии Томсона. Если фотон и электрон пересекаются, они отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. В то время у фотонов была очень большая энергия, и средняя температура Вселенной была больше 3000 К. Такая температура держала электроны в свободном состоянии, поскольку энергия фотонов превосходила энергию ионизации атомов: энергию, необходимую для вышибания электрона из атома. Вместо того, чтобы оставаться привязанными к положительно заряженным ядрам водорода и гелия, электроны почти сразу же выбивались фотонами.
Два этих эффекта, фотоны, занимающиеся ионизацией атомов, и фотоны, взаимодействующие с электронами, приводят к важным последствиям. Большая частота взаимодействий означает, что фотон не улетит далеко до того, как снова столкнётся с электроном и поменяет направление. Представьте вождение в густом тумане, когда фары впереди идущей машины не видны, поскольку свет рассеивается на молекулах воды. Именно так было и во Вселенной до появления КМФИ – свет полностью поглощался туманом свободных электронов (часто говорят о непрозрачной Вселенной). Комбинация непрозрачности и рассеяния Томсона и придают КМФИ однородную температуру во всех направлениях.
Также известно, что в районе однородной температуры КМФИ должны быть небольшие флюктуации, поскольку высокая частота взаимодействий говорит о наличии фотонов везде, где присутствует материя. Вы могли слышать, что КМФИ даёт нам информацию о содержании тёмной материи во Вселенной, или что холодные и горячие места КМФИ соответствуют более или менее плотным регионам – и вот почему. Тёмная материя не взаимодействует с обычной, поэтому она способна собираться в плотные сгустки, в то время, как фотоны задерживаются туманом из свободных электронов. Гравитационное притяжение сгустков тёмной материи собирает вместе ядра и электроны, а вместе с ними – и фотоны.
Флюктуации температуры фотонов, наблюдаемые нами в КМФИ, непосредственно говорят нам о том, где была расположена материя 13 миллиардов лет назад. (И если вас не впечатляет, что космологи смогли зарегистрировать КМФИ, знайте, что наблюдаемые флюктуации температуры в 100 000 раз меньше, чем 2,73 К – это уже микрокельвины!)
В то же время пространство расширялось и растягивались волны фотонов. Энергия фотона связана с длиной его волны, и чем длина больше, тем энергия меньше. В конце концов расширение так растягивает фотоны, что их энергия падает ниже энергии ионизации. И в этот момент электроны комбинируются с ядрами и получают нейтральный водород и гелий (и некоторые другие вещи), а фотоны получают возможность беспрепятственного распространения.
Момент формирования нейтральных атомов называется рекомбинацией, и часто описывается, как превращение Вселенной в прозрачную. Фотоны, вырвавшись за пределы электронного тумана, могут путешествовать в направлении, в котором они в конце концов встретят Землю и наши датчики КМФИ! Краткий момент между рассеянием фотонов и формированием нейтральных атомов называется поверхностью последнего рассеяния. Именно его и показывает нам КМФИ. Поскольку Вселенная была непрозрачной до этого момента, мы буквально не сможем ничего увидеть.
Так что с этими картами?
Лучшей способ извлечь информацию из карт распределения КМФИ – подсчитать энергетический спектр, и вы наверняка встречали один из них в научно-популярных статьях. Связь между горячими и холодными участками может сбить с толку, но на самом деле всё очень просто.
Для понимания этой связи обратимся к простой волновой форме. У любой непериодической плавной волны, которую вы можете найти или нарисовать, есть одно важное математическое свойство: её можно записать как сумму множества разных периодических волн с определёнными частотами и амплитудами. Волну можно описать в реальном пространстве, то есть построить на осях x и y. Но её можно описать и через гармоническую функцию, то есть построить зависимость частот, которые нужно суммировать, от амплитуд каждой из них. На гифке доступно показана связь между волной, тем, как её можно разбить на сумму разных частот, и как это всё связано с гармонической функцией. Для людей с математическим образованием можно просто сказать, что это преобразование Фурье.
Если вместо волн на плоскости представить волны на поверхности, это и будет КМФИ – шаблон горячих точек (пиков) и холодных точек (провалов), расположенный на поверхности последнего рассеяния. Вместо одного изображения температурных флюктуаций КМФИ, можно записать их как сумму различных шаблонов, каждый из которых соответствует определённой моде или мультиполю.
Графики спектра мощности КМФИ показывают, насколько сильна каждая мода, и после их суммирования они воспроизводят картинку КМФИ.
Гениальная идея спектра мощностей в космологии в том, что мы можем делать предсказания о его виде на основе наших представлений о Вселенной. Стандартная модель для космологии называется LambdaCDM, то есть Lambda (тёмная энергия) Cold Dark Matter, и для большинства мультиполей она замечательно совпадает с температурным спектром КМФИ. В самых маленьких мультиполях наблюдаются некие странности, многие из которых хорошо описаны тут.
Пока что шло только обсуждение температуры наблюдаемого КМФИ, но у фотонов есть ещё и поляризация. Поскольку свет – это электромагнитная волна, у него есть интенсивность и ориентация относительно базовой системы координат. Направление ориентации – это поляризация, и причина, по которой тёмные очки так хорошо блокируют блики. Они отфильтровывают световые волны, ориентированные в одном и том же направлении, обычно отразившиеся от плоской поверхности. Поляризация КМФИ (которая бывает двух видов, Е-моды и В-моды), раскладывается на спектр мощностей так же, как температурные флюктуации.
Эти спектры добавляют ещё больше информации о нашей ранней Вселенной, возможно даже, смогут найти доказательства существования доисторических гравитационных волн. Но смогут ли? Именно этот конфликт между Планком и BICEP2 учёные пытаются разрешить!
Источник
Эфир и реликтовое излучение
Сегодня на основе всех имеющихся экспериментальных фактов мы должны осознавать, что абсолютно все наблюдаемые нами фундаментальные движения в Природе носят волновой характер. Все физические объекты построены на основе определённых волновых структурных форм движения материи и их взаимодействий между собой.
Даже если в каких-то будущих экспериментах или исследованиях будет обнаружен эфир, это не будет означать краха теоретической физики. Свойства эфира будут просто вписаны в фундаментальные свойства пространства-времени-материи. Последствия обнаружения эфира могут быть только тогда, когда обнаружится зависимость фундаментальных свойств пространства, времени и материи от ее наличия и состояния его абсолютного движения. Но пока максимально возможная скорость будет ограничиваться фундаментальной скоростью распространения всех взаимодействий в вакууме (пусть даже эфирном), такого не произойдет.
Математическая теория СТО внутренне непротиворечива и самодостаточна, и все «мысленные» эксперименты можно поделить на две категории: эксперименты, основанные на математике СТО, и эксперименты, навязывающие теории утверждения, противоречащие её сути. Первые из них никогда ей не противоречат. Вторые живут собственной жизнью и к специальной теории относительности не имеют никакого отношения. Ко вторым теориям можно отнести классическую механику, теории сплошных сред. Но насчет них уже давно определились в области их применения.
Иногда можно слышать, что наличие эфира и и связанного с ним АСО доказывается наличием анизотропии реликтового излучения.
Но при чем тут эфир? Это просто эффект Доплера. Конечно, с.о., связанную с реликтовым излучением, можно принять за АСО. Это говорит просто о том, что любая вещественная материя, заполняющая Вселенную, определяет некоторое АСО, и что реликтовое излучение связано с ним, и что наши вещественные измерительные приборы движутся с определенной скоростью относительно этого АСО и связанного с ним излучения. Точно также, как за АСО можно принять неподвижный воздух на Земле.
Можно и не связывать – ничего не изменится. Надо, чтобы абсолютную систему отсчёта как-то выделяли фундаментальные законы природы, а не конкретные сущности или объекты, которые в природе существуют. Реликтовое излучение, если рассматривать его локально, есть всего лишь обычное излучение, ненаправленный шум с тепловым спектром, фотонный газ. Какой смысл к нему привязываться? Законы природы не учитывают его как нечто особенное, фундаментальное. Точно так же можно было бы привязаться к любому другому локальному газу или другому веществу. Или можно привязать систему координат к Земле, поскольку существует в природе такой объект — Земля. Такая система координат не будет выделенной («принцип Коперника», что мы живём не в какой-то особенной точке Вселенной, а в рядовом случайном месте). Этот факт не физический, а астрономический и космологический.
Физика занимается общими законами механики, тяготения, свойствами разных веществ в разных состояниях. Астрономия обращается к конкретным объектам, исследует их состав, структуру, разнообразие, происхождение, взаимосвязи. Физику всё это не интересует, она предоставляет свои знания астрофизике для составления конкретных моделей звёзд, галактик. Свойства и законы физики намного проще заранее изучить в лаборатории, чем смутно догадываться о них по скудным (для физики) намёкам в астрономических наблюдениях. Нельзя, конечно, списывать со счетов и обратное – многое можно увидеть только в космосе.
Если вам понравилась статья, то поставьте «лайк» и подпишитесь на канал! Если не понравилась – все равно комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!
Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите «Искать в . «, далее — «Yandex». Если это текстовая ссылка – выделите ее, нажмите правую клавишу мыши, выберите «перейти …». Все! О-ля-ля!
Источник