Реликтовое излучение – это фоновое микроволновое излучение, одинаковое во всех направления и имеет спектр, характерный для абсолютно черного тела при температуре ~ 2.7 K.

Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась ? 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.

Исторические факты изучения реликтового излучения

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

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 см 3 . 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 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.

О чем свидетельствует «реликтовое» излучение?

Реликтовым называют фоновое космическое излучение, спектр которого соответствует спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 градусов Кельвина. Наблюдается это излучение на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров; оно практически изотропно. Открытие реликтового излучения стало решающим подтверждением теории горячей Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность материи и очень высокую температуру. Фиксируемое сегодня реликтовое излучение – это информация о давно прошедших событиях, когда возраст Вселенной составлял всего 300–500 тысяч лет, а плотность была около 1000 атомов на кубический сантиметр. Именно тогда температура первородной Вселенной опустилась примерно до 3000 градусов Кельвина, элементарные частицы образовали атомы водорода и гелия и внезапное исчезновение свободных электронов привело к излучению, которое мы сегодня называем реликтовым.

Несмотря на применение современных приборов и новейших методов изучения Вселенной, вопрос ее появления все еще остается открытым. В этом нет ничего удивительного, если учесть ее возраст: согласно последним данным, он составляет от 14 до 15 млрд. лет. Очевидно, что с тех пор осталось очень мало свидетельств происходивших когда-то грандиозных процессов Вселенского масштаба. Поэтому утверждать что-либо никто не решается, ограничиваясь гипотезами. Однако одна из них с недавних пор получила весьма существенный аргумент - реликтовое излучение.

В 1964 году два сотрудника одной известной лаборатории, выполнявшие радионаблюдение за спутником «Эхо», имея доступ к соответствующему сверхчувствительному оборудованию, решили проверить некоторые свои теории относительно собственного радиоизлучения определенных космических объектов.

Для того чтобы отсеять возможные помехи от наземных источников, было решено использовать в 7,35 см. Однако после включения и настройки антенны было зарегистрировано странное явление: во всей Вселенной фиксировался некий шум, постоянная фоновая составляющая. Она не зависела ни от положения Земли относительно других планет, что сразу отсеяло предположение о радиопомехах этих ни от времени суток. Ни Р. Вилсон, ни А. Пензиас даже не догадывались, что открыли реликтовое излучение вселенной.

Так как никто из них не предполагал подобного, списывая «фон» на особенности аппаратуры (достаточно вспомнить, что используемая СВЧ-антенна была самой чувствительной в то время), минул почти целый год, пока стало очевидным - регистрируемый шум является частью самой Вселенной. Интенсивность улавливаемого радиосигнала оказалась практически идентичной интенсивности излучения температурой в 3 Кельвина (1 Кельвин равен -273 градуса по Цельсию). Для сравнения: нуль по Кельвину соответствует температуре объекта из неподвижных атомов. находится в пределах от 500 МГц до 500 ГГц.

В это время два теоретика из Принстонского университета - Р. Дикке и Д. Пибблс, основываясь на новых моделях развития Вселенной, математически вычислили, что подобное излучение должно существовать и пронизывать все пространство. Стоит ли говорить, что Пензиас, случайно узнавший о лекциях на эту тему, связался с университетом и сообщил, реликтовое излучение и было зарегистрировано.

Исходя из теории Большого Взрыва, вся материя и возникла в результате колоссального взрыва. Первые 300 тыс. лет после этого пространство представляло собой комбинацию элементарных частиц и излучений. Впоследствии из-за расширения температуры стали падать, что дало возможность появиться атомам. Регистрируемое реликтовое излучение - это отголосок тех далеких времен. Пока вселенная обладала границами, плотность частиц была столь высокой, что излучение оказывалось «связанным», так как масса частиц отражала любые виды волн, не позволяя им распространяться. И лишь после начала образования атомов пространство стало «прозрачным» для волн. Считается, что реликтовое излучение появилось именно так. В настоящий момент в каждом кубическом сантиметре пространства содержится около 500 первоначальных квантов, правда, их энергия уменьшилась почти в 100 раз.

Реликтовое излучение на различных участках Вселенной имеет разную температуру. Это обусловлено расположением первичного вещества в расширяющейся Вселенной. Там, где плотность атомов будущей материи была выше, доля излучения, а значит его температура, уменьшена. Именно в этих направлениях впоследствии образовались крупные объекты (галактики и их скопления).

Изучение реликтового излучения приподнимает завесу неизвестности над многими процессами, происходящими в начале времен.

В 2006 г. Джону Мазеру и Джорджу Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие ими чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения. Эти результаты были получены на основе измерений, выполненных с помощью спутника COBE, запущенного NASA в 1988 г. Результаты Дж. Мазера и Дж. Смута явились подтверждением происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Крайне малое различие в температуре космического фонового излучения ΔT/T ~ 10 -4 является свидетельством механизма образования галактик и звезд.

Дж. Мазер (р. 1946)

Дж. Смут (р. 1945)

Рис. 52. Чернотельный спектр реликтового излучения.

Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение) было обнаружено в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном. На ранней стадии эволюции Вселенной вещество было в состоянии плазмы. Такая среда непрозрачна для электромагнитного излучения − происходит интенсивное рассеяние фотонов электронами и протонами. Когда Вселенная остыла до 3000 К электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода и среда стала прозрачной для фотонов. В это время возраст Вселенной составлял 300000 лет, поэтому реликтовое излучение дает информацию о состоянии Вселенной в эту эпоху. В это время Вселенная была практически однородной. Неоднородности Вселенной определяются по температурной неоднородности реликтового излучения. Эта неоднородность составляет ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Неоднородности реликтового излучения − свидетели неоднородностей Вселенной: первых звезд, галактик, скоплений галактик. При расширении Вселенной длина волны реликтового излучения увеличилась Δλ/λ = ΔR/R и в настоящее время длина волны реликтового излучения находится в диапазоне радиоволн, температура реликтового излучения T = 2.7 К.

Рис. 53. Анизотропия реликтового излучения. Более темным цветом показаны участки спектра реликтового излучения, имеющие более высокую температуру.

Дж. Мазер: «В начале был Большой взрыв − так мы теперь говорим с большой уверенностью. Спутник СОВЕ, предложенный как проект в 1974 г. в Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и запущенный в 1989 г., предоставил очень сильные свидетельства в пользу этого: космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ, или реликтовое излучение) имеет спектр почти идеального черного тела с температурой
2.725 ±0.001 К, и это излучение изотропно (одинаково во всех направлениях) с относительным среднеквадратичным отклонением не более 10 на миллион на угловых масштабах 7° и более. Это излучение интерпретируется как след чрезвычайно горячей и плотной ранней стадии эволюции Вселенной. В такой горячей и плотной фазе рождение и уничтожение фотонов, а также установление равновесия между ними и со всеми другими формами материи и энергии происходило бы очень быстро по сравнению с характерным масштабом времени расширения Вселенной. Такое состояние немедленно произвело бы чернотельное излучение. Расширяющаяся Вселенная должна сохранять чернотельный характер этого спектра, поэтому измерение любого значительного отклонения от идеального спектра излучения черного тела либо сделало бы несостоятельной всю идею Большого взрыва, либо показало бы, что после быстрого установления равновесия к КМФИ была добавлена какая-то энергия (например, от распада неких первичных частиц). Тот факт, что это излучение изотропно в такой высокой степени является ключевым свидетельством того, что оно происходит от Большого взрыва».

Рис. 54. Роберт Вильсон и Арно Пензиас у антенны, на которой было зарегистрировано реликтовое излучение.

Дж. Смут: «Согласно теории горячей Вселенной, реликтовое излучение является остаточным излучением, сформировавшимся на самых ранних высокотемпературных стадиях эволюции Вселенной во времена близкие к началу расширения современной Вселенной 13,7 млрд. лет назад. Само реликтовое излучение может быть использовано как мощное средство для измерения динамики и геометрии Вселенной. Реликтовое излучение было открыто Пензиасом и Вилсоном в Лаборатории им. Белла в 1964 г.
Они обнаружили постоянное изотропное излучение с термодинамической температурой около 3,2 К. В это же время физики в Принстоне (Дике, Пиблз, Уилкинсон и Ролл) разрабатывали эксперимент по измерению реликтового излучения, предсказываемого теорией горячей Вселенной. Случайное открытие реликтового излучения Пензиасом и Вилсоном открыло новую эру в космологии, положив начало ее превращению из мифа и спекуляций в полноценное научное направление.
Открытие анизотропии температуры космического реликтового излучения произвело переворот в наших представлениях о Вселенной, и его современные исследования продолжают революцию в космологии. Построение углового спектра мощности флуктуаций температуры РИ с плато, акустическими пиками и затухающим высокочастотным концом привело к утверждению стандартной космологической модели, в которой геометрия пространства плоская (соответствует критической плотности), темная энергия и темная материя доминируют и есть лишь немного обычного вещества. Согласно этой успешно подтверждаемой модели, наблюдаемая структура Вселенной сформировалась благодаря гравитационной неустойчивости, которая усилила квантовые флуктуации, порожденные в очень раннюю инфляционную эпоху. Современные и будущие наблюдения проверят эту модель и определят ключевые космологические параметры с выдающейся точностью и значимостью».

Открытие реликтового излучения Вселенной

Предисловие

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ , космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно чёрного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270°C). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиово́лны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3 . Радиоастроно́мы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновы́м фоновым излучением» (М. ф. и.) cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С. Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Далее мы будем называть это излучение «реликтовым». Открытие в 1965 году реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания двадцатого века и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несёт нам све́дения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней ещё не существовало ни планет, ни звёзд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосфе́рных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого́ рождения Вселенной.

Открытие реликтового излучения

В 1960 году́ в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приёма радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 го́ду для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать её для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приёмным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих из космоса.

В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвёздной среды́ нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пе́нзиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение. Для точного измерения радиоизлучения Галактики необходимо было учесть все возможные помехи, вызываемые излучением земной атмосферы и поверхности Земли, а также помехи, возникающие в антенне, электрических цепях и приемниках.

Предварительные испытания приемной системы показали несколько больший шум, чем ожидалось по расчётам, но казалось правдоподобным, что это связано с небольшим избытком шума в усилительных цепях. Чтобы избавиться от этих проблем, Пензиас и Уилсон использовали устройство, известное как «холодная нагрузка»: сигнал, приходящий от антенны, сравнивается с сигналом от искусственного источника, охлажденного жидким гелием при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля (4 K) . В обоих случаях электрический шум в усилительных цепях должен быть одинаков, и поэтому полученная при сравнении разница дает мощность сигнала, идущего от антенны. Этот сигнал содержит вклады только от антенного устройства, земной атмосферы и астрономического источника радиоволн, попадающего в поле зрения антенны. Пензиас и Уилсон ожидали, что антенное устройство будет давать очень небольшой электрический шум. Однако, чтобы проверить это предположение, они начали свои наблюдения на сравнительно коротких волнах длиной 7,35 см, на которых радиошум от Галактики должен быть пренебрежимо мал. Естественно, некоторый радиошум ожидался на такой длине волны́ и от земной атмосферы, но этот шум должен был иметь характерную зависимость от направления: он должен быть пропорционален толщине атмосферы в том направлении, в каком смотрит антенна: немного меньше в направлении зенита, чуть больше в направлении горизонта. Ожидалось, что после вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не останется никакого существенного сигнала от антенны и это подтвердит, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал. После этого можно будет начать изучение само́й Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение.

Микроволново́й шум

К своему удивлению, Пензиас и Уилсон обнаружили весной 1964 , что они принимают на длине волн 7,35 см довольно заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления. Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости от времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года. Следовательно, это не могло быть излучением Галактики, ибо в этом случае его интенсивность менялась бы в зависимости от того, смотрит антенна вдоль плоскости Млечного Пути или поперек. К тому же, если бы это было излучением нашей Галактики, то большая спиральная галактика М 31 в Андромеде, во многих отношениях похожая на нашу, тоже должна была бы сильно излучать на волне 7,35 см, а этого не наблюдалось. Отсутствие каких-либо вариаций наблюдаемого микроволново́го шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиово́лны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объёма Вселенной. Исследователям было ясно, что необходимо снова проверить, не может ли сама антенна производить больше электрического шума, чем ожидалось. В частности, было известно, что в рупоре антенны угнезди́лась пара голубей. Они были пойманы, отправлены по почте на принадлежащий компании «Белл» участок в Виппани, выпущены на волю, вновь обнаружены несколькими днями спустя на своем месте в антенне, снова пойманы и наконец утихоми́рены более решительными средствами. Однако во время аренды помещения голуби покрыли внутренность антенны тем, что Пензиас назвал «белым диэлектрическим веществом», которое при комнатной температуре могло быть источником электрического шума. В начале 1965 года был демонтирован рупор антенны и вычищена вся грязь, однако это, как и все другие ухищрения, дало очень малое уменьшение наблюдаемого уровня шума.

Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены́, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Оказалось, что пространство излучает так, как будто бы оно нагре́то до температуры 3,5 кельвина (точнее, достигнутая точность позволяла заключить, что «температура космоса» от 2,5 до 4,5 кельвина). Необходимо заметить, что это очень тонкий экспериментальный результат: например, если перед рупором антенны расположить брикет мороженого, то он сиял бы в радиодиапазоне, в 22 млн. раз более ярком, чем соответствующей участок неба. Обдумывая неожиданный результат своих наблюдений, Пензиас и Уилсон не торопились с публикацией. Но события развивались уже помимо их воли. Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелю Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тернера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Фи́лом Пиблслом, работавшим под руководством Роберта Дикке. В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K . Пензиас позвонил Дикке, и обе группы исследователей встретились. Роберту Дикке и его коллегам Ф.Пиблсу, П.Роллу и Д.Уилкинсону стало ясно, что А.Пензиас и Р.Уилсон обнаружили реликтовое излучение горячей Вселенной. Ученые решили одновременно опубликовать два письма в престижном «Астрофизическом журнале» («Astrophysical Journal»). Летом 1965 года были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением при помощи теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убеждённые в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон дали своей заметке скромное название: Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц. Они просто объявили, что «измерения эффективной зенитной температуры шума... дали значение на 3,5 K выше, чем ожидалось», и избежали всяких упоминаний о космологии, за исключением фразы, что «возможное объяснение наблюдаемой избыточной температуры шума дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в сопутствующем письме в этом же выпуске журнала».

В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения. Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 K . Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей. Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965 году. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи. Наиболее точные измерения реликтового излучения проведены из космоса: это эксперимент «Реликт» на советском спутнике «Прогноз-9» (1983–1984) и эксперимент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американском спутнике COBE (Cosmic Background Explorer, ноябрь 1989–1993) Именно последний позволил точнее всего определить температуру реликтового излучения: 2,725 ± 0,002 K .

Уважаемые посетители!