Излучения. Реликтовое излучение

Реликтовое излучение

Внегалактическое микроволновое фоновое излучение приходится на диапазон частот от 500 МГц до 500 ГГц, что соответствует длинам волн от 60 см до 0,6 мм. Это фоновое излучение несет информацию о процессах, происходивших во Вселенной до образования галактик, квазаров и др. объектов. Это излучение, названное реликтовым, было обнаружено в 1965 году, хотя оно было предсказано еще в 40-х годах Георгием Гамовым и исследовалось астрономами в течение десятилетий.

В расширяющейся Вселенной средняя плотность вещества зависит от времени – в прошлом она была больше. Однако при расширении изменяется не только плотность, но и тепловая энергия вещества, значит на ранней стадии расширения Вселенная была не только плотной, но и горячей. Как следствие, в наше время должно наблюдаться остаточное излучение, спектр которого такой же, как спектр абсолютно твердого тела, и это излучение должно быть в высшей степени изотропно. В 1964 году А.А.Пензиас и Р.Вилсон, испытывая чувствительную радиоантенну, обнаружили очень слабое фоновое микроволновое излучение, от которого никаким образом не могли избавиться. Его температура оказалась равной 2,73 К, что близко к предсказанной величине. Из экспериментов по исследованию изотропии было показано, что источник микроволнового фонового излучения не может находиться внутри Галактики, так как тогда должна была бы наблюдаться концентрация излучения к центру Галактики. Источник излучения не мог находиться и внутри Солнечной системы, т.к. наблюдалась бы суточная вариация интенсивности излучения. В силу этого был сделан вывод о внегалактической природе этого фонового излучения. Тем самым гипотеза горячей Вселенной получила наблюдательное основание.

Для понимания природы реликтового излучения необходимо обратиться к процессам, имевшим место на ранних стадиях расширения Вселенной. Рассмотрим, как менялись физические условия во Вселенной в процессе расширения.

Сейчас каждый кубический сантиметр пространства содержит около 500 реликтовых фотонов, а вещества на этот объем приходится гораздо меньше. Поскольку отношение числа фотонов к числу барионов в процессе расширения сохраняется, но энергия фотонов в ходе расширения Вселенной со временем уменьшается из-за красного смещения, можно сделать вывод, что когда-то в прошлом плотность энергии излучения была больше плотности энергии частиц вещества. Это время называется радиационной стадией в эволюции Вселенной. Радиационная стадия характеризовалась равенством температуры вещества и излучения. В те времена излучение полностью определяло характер расширения Вселенной. Примерно через миллион лет после начала расширения Вселенной температура понизилась до нескольких тысяч градусов и произошла рекомбинация электронов, бывших до этого свободными частицами, с протонами и ядрами гелия, т.е. образование атомов. Вселенная стала прозрачной для излучения, и именно это излучение мы сейчас улавливаем и называем реликтовым. Правда, с того времени из-за расширения Вселенной фотоны уменьшили свою энергию примерно в 100 раз. Образно говоря, кванты реликтового излучения «запечатлели» эпоху рекомбинации и несут прямую информацию о далеком прошлом.

После рекомбинации вещество впервые начало эволюционировать самостоятельно, независимо от излучения, и в нем начали появляться уплотнения – зародыши будущих галактик и их скоплений. Вот почему так важны для ученых эксперименты по изучению свойств реликтового излучения – его спектра и пространственных флуктуаций. Их усилия не пропали даром: в начале 90-х гг. российский космический эксперимент «Реликт-2» и американский «Кобе» обнаружили различия температуры реликтового излучения соседних участков неба, причем величина отклонения от средней температуры составляет всего около тысячной доли процента. Эти вариации температуры несут информацию об отклонении плотности вещества от среднего значения в эпоху рекомбинации. После рекомбинации вещество во Вселенной было распределено почти равномерно, а там, где плотность была хоть немного выше средней, сильнее было притяжение. Именно вариации плотности впоследствии привели к образованию наблюдаемых во Вселенной крупномасштабных структур, скоплений галактик и отдельных галактик. По современным представлениям, первые галактики должны были образоваться в эпоху, которая соответствует красным смещениям от 4 до 8.

А есть ли шанс заглянуть еще дальше в эпоху, предшествующую рекомбинации? До момента рекомбинации именно давление электромагнитного излучения в основном создавало гравитационное поле, тормозившее расширение Вселенной. На этой стадии температура менялась обратно пропорционально квадратному корню из времени, прошедшего с начала расширения. Рассмотрим последовательно различные стадии расширения ранней Вселенной.

При температуре примерно 1013 Кельвинов во Вселенной рождались и аннигилировали пары различных частиц и античастиц: протоны, нейтроны, мезоны, электроны, нейтрино и др. При понижении температуры до 5*1012 К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те, для которых «не хватило» античастиц. Именно из этих «избыточных» протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной.

При Т= 2*1010 К с веществом перестали взаимодействовать всепроникающие нейтрино – от того момента должен был остаться «реликтовый фон нейтрино», обнаружить который, возможно, удастся в ходе будущих нейтринных экспериментов.

Все, о чем сейчас говорилось, происходило при сверхвысоких температурах в первую секунду после начала расширения Вселенной. Спустя несколько секунд после момента «рождения» Вселенной началась эпоха первичного нуклеосинтеза, когда образовывались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия. Она продолжалась приблизительно три минуты, а ее основным результатом стало образование ядер гелия (25% от массы всего вещества Вселенной). Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества – около 0,01%.

После эпохи нуклеосинтеза и до эпохи рекомбинации (примерно 106 лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной, а затем – спустя сотни миллионов лет после начала – появились первые галактики и звезды.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть и самый начальный, «сверхплотный» период расширения Вселенной. Оказывается, в самом начале расширения, когда температура была невероятно высока (больше 1028 К), Вселенная могла находиться в особом состоянии, при котором она расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной. Такую стадию расширения назвали инфляционной. Подобное состояние материи возможно при одном условии – отрицательном давлении. Стадия сверхбыстрого инфляционного расширения охватывала крошечный промежуток времени: она завершилась к моменту примерно 10–36 с. Считается, что настоящее «рождение» элементарных частиц материи в том виде, в каком мы их знаем сейчас, произошло как раз по окончании инфляционной стадии и было вызвано распадом гипотетического поля. После этого расширение Вселенной продолжалось уже по инерции.

Гипотеза инфляционной Вселенной отвечает на целый ряд важных вопросов космологии, которые до недавнего времени считались необъяснимыми парадоксами, в частности на вопрос о причине расширения Вселенной. Если в своей истории Вселенная действительно прошла через эпоху, когда существовало большое отрицательное давление, то гравитация неизбежно должна была вызвать не притяжение, а взаимное отталкивание материальных частиц. И значит, Вселенная начала быстро, взрывоподобно расширяться. Конечно, модель инфляционной Вселенной лишь гипотеза: даже косвенная проверка ее положений требует таких приборов, которые в настоящее время просто еще не созданы. Однако идея ускоренного расширения Вселенной на самой ранней стадии ее эволюции прочно вошла в современную космологию.

Говоря о ранней Вселенной, мы от самых больших космических масштабов вдруг переносимся в область микромира, которая описывается законами квантовой механики. Физика элементарных частиц и сверхвысоких энергий тесно переплетается в космологии с физикой гигантских астрономических систем. Самое большое и самое малое смыкаются здесь друг с другом. В этом и состоит удивительная красота нашего мира, полного неожиданных взаимосвязей и глубокого единства.

Проявления жизни на Земле чрезвычайно многообразны. Жизнь на Земле представлена ядерными и доядерными, одно- и многоклеточными существами; многоклеточные, в свою очередь, представлены грибами, растениями и животными. Любое из этих царств объединяет разнообразные типы, классы, отряды, семейства, роды, виды, популяции и индивидуумы.

Во всем, казалось бы, бесконечном многообразии живого можно выделить несколько разных уровней организации живого: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический, биосферный. Перечисленные уровни выделены по удобству изучения. Если же попытаться выделить основные уровни, отражающие не столько уровни изучения, сколько уровни организации жизни на Земле, то основными критериями такого выделения должны быть признаны наличие специфических элементарных, дискретных структур и элементарных явлений. При этом подходе оказывается необходимым и достаточным выделять молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой и биогеоценотический уровни (Н.В. Тимофеев-Ресовский и др.).

Молекулярно-генетический уровень. При изучении этого уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений. Известно, что основные структуры на этом уровне (коды наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению) представляют собой ДНК, дифференцированную по длине на элементы кода – триплеты азотистых оснований, образующих гены.

Гены на этом уровне организации жизни представляют элементарные единицы. Основными элементарными явлениями, связанными с генами, можно считать их локальные структурные изменения (мутации) и передачу хранящейся в них информации внутриклеточным управляющим системам.

Конвариантная редупликация происходит по матричному принципу путем разрыва водородных связей двойной спирали ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы. Затем каждая из нитей строит себе соответствующую нить, после чего новые нити комплементарно соединяются между собой.Пиримидиновые и пуриновые основания комплементарных нитей скрепляются водородными связями между собой ДНК-полимеразой. Этот процесс осуществляется очень быстро. Так, на самосборку ДНК кишечной палочки (Escherichia coli), состоящей примерно из 40 тыс. пар нуклеотидов, требуется всего 100 с. Генетическая информация переносится из ядра молекулами иРНК в цитоплазму к рибосомам и там участвует в синтезе белка. Белок, содержащий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5–6 мин, а у бактерий быстрее.

Основные управляющие системы как при конвариантной редупликации, так и при внутриклеточной передаче информации используют «матричный принцип», т.е. являются матрицами, рядом с которыми строятся соответствующие специфические макромолекулы. В настоящее время успешно дешифруется заложенный в структуре нуклеиновых кислот код, служащий матрицей при синтезе специфических белковых структур в клетках. Редупликация, основанная на матричном копировании, сохраняет не только генетическую норму, но и отклонения от нее, т.е. мутации (основа процесса эволюции). Достаточно точное знание молекулярно-генетического уровня – необходимая предпосылка для ясного понимания жизненных явлений, происходящих на всех остальных уровнях организации жизни.

ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ. Фоновое излучение (реликтовое излучение) - космическое излучение, имеющее спектр, характерный для абсолютно четного тела, при темп-ре около ЗК; определяет интенсивность фонового излучения Вселенной в коротковолновом радиодиапазоне (на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах). Характеризуется высочайшей степенью изотропии (интенсивность практически одинакова во всех направлениях). Существование теплового излучения с температурой в несколько кельвинов было предсказано в 1946 г. Геогием Гамовым при разработке модели горячей Вселенной, а открыли его в 1965 г. радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон (США). Открытие дало важнейшее экспериментальное свидетельство в пользу представлений об изотропии расширения Вселенной и её однородности в больших масштабах. (Термин "реликтовое излучение" ввел советский астрофизик И.С.Шкловский (1916-1985).) Согласно модели горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность, чем сейчас, и чрезвычайно высокую темп-ру. При
Т > 10 8 К первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамическом равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной темп-ра плазмы и излучения падала. Пока темп-ра превышала 4000 К, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта Вселенной. При T ≈ 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения темп-ра излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт, как "память" о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см). Темп-ра микроволнового фонового излучения (МФИ) с точностью до 10% оказалась равной 2,7 К. Средняя энергия фотонов этого излучения крайне мала - в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов МФИ очень велико. На каждый атом во Вселенной приходится ~ 10 9 фотонов МФИ (в среднем 400-500 фотонов в 1 см 3). Наряду с прямым методом определения темп-ры МФИ - по кривой распределения энергии в спектре излучения (закон Планка), существует также косвенный метод - по населённости нижних уровней энергии молекул в межзвёздной среде. При поглощении фотона МФИ молекула переходит из основного состояния в возбуждённое. Чем выше темп-ра излучения, тем выше плотность фотонов с энергией, достаточной для возбуждения молекул, и тем большая их доля находится на возбуждённом уровне. По количеству возбуждённых молекул (населённости уровней) можно судить о темп-ре возбуждающего излучения. Так, наблюдения оптических линий поглощения межзвёздного циана (CN) показывают, что его нижние уровни энергии населены так, как будто молекулы CN находятся в поле трёхградусного чернотельного излучения. Этот факт был установлен (но не понят в полной мере) ещё в 1941 г., задолго до обнаружения МФИ прямыми наблюдениями. Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к МФИ: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звезд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также практически полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере доказывается реликтовое происхождение МФИ. Флуктуации МФИ. Обнаружение небольших различий в интенсивности МФИ, принимаемого от разных участков небесной сферы, позволило бы сделать ряд выводов о характере первичных возмущении в веществе, приведших в дальнейшем к образованию галактик и скоплений галактик. Современные галактики и их скопления образовались в результате роста незначительных по амплитуде неоднородностей плотности вещества, существовавших до рекомбинации водорода во Вселенной. Для любой космологической модели можно найти закон роста амплитуды неоднородностей в ходе расширения Вселенной. Если знать, каковы были амплитуды неоднородности вещества в момент рекомбинации, можно установить, за какое время они могли вырасти и стать порядка единицы. После этого области с плотностью, значительно превышающей среднюю, должны были выделиться из общего расширяющегося фона и дать начало галактикам и их скоплениям. "Рассказать" об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь реликтовое излучение. Поскольку до рекомбинации излучение было жёстко связано с веществом (электроны рассеивали фотоны), то неоднородности в пространственном распределении вещества приводили к неоднородностям плотности энергии излучения, т.е. к различию темп-ры излучения в разных по плотности областях Вселенной. Когда после рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, МФИ должно было сохранить всю информацию о неоднородпостях плотности во Вселенной в период рекомбинации. Если неоднородности существовали, то темп-ра МФИ должна флуктуировать, зависеть от направления наблюдения. Однако эксперименты по обнаружению ожидаемых флуктуаций пока не обладают достаточно высокой точностью. Они дают лишь верхние пределы значений флуктуации. В малых угловых масштабах (от одной угловой минуты до шести градусов дуги) флуктуации не превышают 10 -4 К. Поиски флуктуации МФИ осложняются также тем, что вклад во флуктуации фона дают дискретные космические радиоисточники, флуктуирует излучение атмосферы Земли и т. д. Эксперименты в больших угловых масштабах также показали, что темп-ра МФИ практически не зависит от направления наблюдения: отклонения не превышают 3∙10 -3 К. Полученные данные позволили снизить оценку степени анизотропии расширения Вселенной в 100 раз по сравнению с оценкой по данным прямых наблюдений "разбегающихся" галактик. МФИ изотропно лишь в системе координат, связанной с "разбегающимися" галактиками, в т.н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе со Вселенной). В любой др. системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с МФИ Действительно, в силу Доплера эффекта, фотоны распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с МФИ, их энергии равны. Поэтому и темп-ра излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления: T =T 0 (1+ v / c cos θ ), где T 0 – средняя по небу темп-ра излучения, v - скорость наблюдателя, θ – угол между вектором скорости и направлением наблюдения. Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твердо установлена: в направлении на созвездие Льва темп-ра МФИ на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно МФИ со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно МФИ. Она составляет 600 км/с. Спектр МФИ. На рис приведены существующие экспериментальные данные о МФИ и планковская кривая распределения энергии в спектре равновесного излучения абсолютно чёрного тела, имеющего темп-ру ≈ 2,7 К. Положения экспериментальных точек хорошо согласуются с теоретической кривой. Это служит веским подтверждением модели горячей Вселенной. МФИ и космические лучи. Космические лучи (протоны и ядра высоких энергий; ультрарелятивнстские электроны, определяющие радиоизлучение нашей и других галактик в метровом диапазоне) несут информацию о гигантских взрывных процессах в звездах и ядрах галактик, при к-рых они рождаются. Как оказалось, время жизни частиц высоких энергий во Вселенной во многом зависит от фотонов МФИ, обладающих малой энергией, но чрезвычайно многочисленных - их в миллиард раз больше, чем атомов во Вселенной (это соотношение сохраняется в процессе расширения Вселенной). При столкновении ультрарелятивистских электронов космических лучей с фотонами МФИ происходит перераспределение энергии и импульса. Энергия фотона возрастает во много раз, и радиофотон превращается в фотон рентг. излучения, энергия же электрона меняется незначительно. Поскольку этот процесс повторяется многократно, электрон постепенно теряет всю энергию. Наблюдаемое со спутников и ракет рентгеновское фоновое излучение, по-видимому, частично обязано своим происхождением этому процессу. Протоны и ядра сверхвысоких энергий также подвержены воздействию фотонов МФИ: при столкновениях с ними ядра расщепляются, а соударения с протонами приводят к рождению новых частиц (электрон-позитронных пар, -мезонов и т.д.). В результате энергия протонов быстро уменьшается до пороговой, ниже к-рой рождение частиц становится невозможным по законам сохранения энергии и импульса. Именно с этими процессами связывают практич. отсутствие в космич. лучах частиц с энергией 10 20 эВ, а также малое количество тяжёлых ядер. НЕМНОГО ЭКЗОТИКИ! В квантовой механике каждая частица или система частиц описывается определенным математическим выражением, которое носит название волновой функции. Зеркальное отражение ведет к замене пространственных координат х , y , z на –х , –y , –z . Если при этом знак функции меняется на противоположный, то четность частицы или системы равна –1 (нечетная). Если же функции не меняются, то четность равна +1 (четная). Закон сохранения четности, впервые сформулированный в 1925 г., утверждал, что общая четность (произведение четностей всех участвующих частиц) одинакова как до, так и после взаимодействия. Закон получил всеобщее признание благодаря тому, что он приводил к полезным теоретическим и экспериментальным результатам, а кроме того, вероятно, еще и потому, что отвечал желанию физиков находить в природе подобные симметрии. Большинство интуитивно чувствовало, что природа не отдает предпочтение правому над левым, или наоборот. НО!!! Было обнаружено, что имеются многочисленные экспериментальные подтверждения сохранения четности при сильном и электромагнитном взаимодействиях, но такое подтверждение полностью отсутствует в случае слабых взаимодействий. Гравитация – это настолько относительно слабая сила, что при взаимодействиях элементарных частиц ею обычно пренебрегают. Ни из одного из отчетов ученых не следовало подтверждения принципа сохранения четности при слабых взаимодействиях, хотя распад тета- и тау-частиц на пи-мезоны включают таковые. Я. и Ли быстро продумали, как провести эксперименты, позволявшие дать точный ответ на вопрос, сохраняется ли четность при слабых взаимодействиях. Поскольку они были теоретиками, то проведение экспериментов предоставили другим. Первыми, кто откликнулся на их призыв, были By Цзяньсюн из Колумбийского университета вместе с физиками из Национального бюро стандартов США. В 1956...1957 гг. после шести месяцев изнурительной подготовки к трудному эксперименту By поместила радиоактивный кобальт внутрь электромагнита и охладила его до температуры, близкой к абсолютному нулю, дабы свести до минимума влияние теплового движения. Кобальт испускает бета-частицы (электроны) и нейтрино (незаряженные частицы с нулевой массой). Поскольку атомы ведут себя как маленькие магниты, их направления параллельны электромагнитному полю, задающему определенную ориентацию. Если бы четность сохранялась при радиоактивном распаде кобальта, являющемся слабым взаимодействием, то в направлении северного и южного полюсов магнита вылетало бы равное число испускаемых электронов. By обнаружила, что больше электронов вылетает с южного конца. Четность не сохранялась. Последовавшие затем эксперименты других ученых почти немедленно подтвердили нарушение закона сохранения четности при распаде и превращении пи-мезонов в мю-мезоны и мю-мезонов в электроны и нейтрино (или антинейтрино). В мю-мезонах и электронах проявляется асимметрия направлений вперед-назад. При невыполнении закона четности Я. и Ли смогли предположить, что тета и тау и в самом деле одна частица, способная к двум различным типам распада. Нарушение закона сохранения четности вызвало целую лавину теоретических и экспериментальных исследований. С этими новыми исследованиями ученые связывали надежды на создание единой теории поля, объединяющей четыре известных вида взаимодействия, идея которой напрямую связана с именем Альберта Эйнштейна.

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.

МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

(реликтовое излучение) - космич. излучение, имеющее спектр, характерный для абсолютно чёрного тела при темп-ре ок. 3 К; определяет интенсивность фонового излучения Вселенной в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Характеризуется высочайшей степенью изотропии (интенсивность практически одинакова во всех направлениях). Открытие M. ф. и. [А. Пензиас (A. Penzias), P. Вильсон (R. Wilson), 1965] подтвердило т. н. горячей Вселенной теорию, дало важнейшее эксперим. свидетельство в пользу представлений об изотропии расширения Вселенной и её однородности в больших масштабах (см. Космология).

Согласно теории горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность, чем ныне и чрезвычайно высокую темп-ру. При T > 10 8 К первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамич. равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной темп-pa плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения (оптическая толщина Вселенной по тормозному излучению к этому времени стала много меньше единицы). Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чернотельный спектр излучения остаётся чернотельным, уменьшается лишь его темп-pa. Пока темп-pa превышала 4000 К, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта событий во Вселенной. При T < 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия. Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения темп-pa излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт или "память" о раннем периоде эволюции мира. Это излучение было обнаружено сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).

Темп-pa M. ф. и. с точностью до 10% оказалась равной 2,7 К. Cp. энергия фотонов этого излучения крайне мала - в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов M. ф. и. очень велико. На каждый атом во Вселенной чриходится ~ 10 9 фотонов M. ф. и. (в ср. 400-500 фотонов/см 3).

Наряду с прямым методом определения темп-ры M. ф. и.- по кривой распределения энергии в спектре излучения ( см. Планка закон излучения )- существует также косвенный метод - по населённости ниж. уровней энергии молекул в межзвёздной среде. При поглощении фотона M. ф. и. молекула переходит из осн. состояния в возбуждённое. Чем выше темп-pa излучения, тем выше плотность фотонов с энергией, достаточной для возбуждения молекул, и тем большая их доля находится на возбуждённом уровне. По кол-ву возбуждённых молекул (населённости уровней) можно судить о темп-ре возбуждающего излучения. Так, наблюдения оптич. линий поглощения межзвёздного циана (CN) показывают, что его ниж. уровни энергии населены так, как будто молекулы CN находятся в поле трехградусного чернотельного излучения. Этот факт был установлен (но не понят в полной мере) ещё в 1941, задолго до обнаружения M. ф. и. прямыми наблюдениями.

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалак-тич. газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к M. ф. и.; суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников (рис. 1). Этим, а также практически полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угл. флуктуации) доказывается космологич. реликтовое происхождение M. ф. и.

Рис. 1. Спектр микроволнового фонового излучения Вселенной [интенсивность в эрг/(см 2 *с*ср*Гц)]. Эксперим. точки нанесены с указанием погрешностей измерений. Точки CN, CH соответствуют результатам определения верхней границы (показана стрелкой) температуры излучения по населённости уровней соответствующих межзвёздных молекул.

Флуктуации M. ф. и. Обнаружение небольших различий в интенсивности M. ф. и., принимаемого от разных участков небесной сферы, позволило бы сделать ряд выводов о характере первичных возмущений в веществе, приведших в дальнейшем к образованию галактик и скоплений галактик. Совр. галактики и их скопления образовались в результате роста незначительных по амплитуде неоднородностей плотности вещества, существовавших до рекомбинации водорода во Вселенной (см. Первичные флуктуации во Вселенной). Для любой космологич. модели можно найти закон роста амплитуды неоднородностей в ходе расширения Вселенной. Если знать, каковы были амплитуды неоднородности вещества в момент рекомбинации, можно установить, за какое время они могли вырасти и стать порядка единицы. После этого области с плотностью, значительно превышающей среднюю, должны были выделиться из общего расширяющегося фона и дать начало галактикам и их скоплениям (см. Крупномасштабная структура Вселенной). "Рассказать" об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь реликтовое излучение. Поскольку до рекомбинации излучение было жёстко связано с веществом (электроны рассеивали фотоны), то неоднородности в пространственном распределении вещества приводили к пеоднородностям плотности энергии излучения, т. е. к различию темп-ры излучения в разных по плотности областях Вселенной. Когда после рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, M. ф. и. должно было сохранить всю информацию о неоднородностях плотности во Вселенной в период рекомбинации. Если неоднородности существовали, то темп-pa M. ф. и. должна флуктуировать, зависеть от направления наблюдения. Однако эксперименты по обнаружению ожидаемых флуктуации пока не дали измеримых значений. Они позволяют показать лишь верх, пределы значений флуктуации. В малых угл. масштабах (от одной угл. минуты до шести градусов дуги) флуктуации не превышают 10 -4 К. Поиски флуктуации M. ф. и. осложняются также тем, что вклад во флуктуации фона дают дискретные космич. радиоисточники, флуктуирует излучение атмосферы Земли и т. д. Эксперименты в больших у гл. масштабах также показали, что темп-ра M. ф. и. практически не зависит от направления наблюдения: отклонения не превышают 4*10 -3 К. Полученные данные позволили снизить оценку степени анизотропии расширения Вселенной в 100 раз по сравнению с оценкой по данным прямых наблюдений "разбегающихся" галактик.

M. ф. и. как "новый эфир". M. ф. и. изотропно лишь в системе координат, связанной с "разбегающимися" галактиками, в т. н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой др. системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с M. ф. и. Действительно, в силу Доплера аффекта фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с M. ф. и., их энергии равны. Поэтому и темп-pa излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления: где - средняя по небу темп-pa излучения, - скорость наблюдателя,- угол между вектором скорости и направлением наблюдения.

Рис. 2. Распределение яркости микроволнового фонового излучения на небесной сфере. Цифры характеризуют отклонения от средней по всей сфере температуры микроволнового фона в мК.

Анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твёрдо установлена (рис. 2), она имеет дипольный характер; в направлении на созвездие Льва темп-pa M. ф. и. на 3,5*10 -3 К превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно M. ф. и. со скоростью ок. 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно M. ф. и. Она составляет км/с. В принципе, существует метод, позволяющий определить скорости богатых скоплений галактик относительно реликтового излучения (см. Скопления галактик).

Спектр M. ф. и. На рис. 1 приведены существующие эксперим. данные о M. ф. и. и планковская кривая распределения энергии в спектре равновесного излучения абсолютно чёрного тела с темп-рой Эксперим. точки хорошо согласуются с теоретич. кривой, что служит веским подтверждением модели горячей Вселенной.

Отметим, что в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн измерения темп-ры M. ф. и. возможны с поверхности Земли. В миллиметровом и особенно в субмиллиметровом диапазонах излучение атмосферы препятствует наблюдениям M. ф. и., поэтому измерения проводятся широкополосными болометрами, установленными на воздушных шарах (баллонах) и ракетах. Ценные данные о спектре M. ф. и. в миллиметровой области получены из наблюдений линий поглощения молекул межзвёздной среды в спектрах горячих звёзд. Выяснилось, что осн. вклад в плотность энергии M. ф. и. даёт излучение с длиной волны от 6 до 0,6 мм, темп-pa к-рого близка к 3 К. В этом диапазоне длин волн плотность энергии M. ф. и.эВ/см 3 .

Один из экспериментов по определению флуктуации M. ф. и., его дипольной компоненты и верх, границы квадрупольного излучения был осуществлён на ИСЗ "Прогноз-9" (СССР, 1983). Угл. разрешение аппаратуры составляло ок. Зарегистрированный тепловой контраст не превышал К.

Многие из космологич. теорий и теорий образования галактик, к-рые рассматривают процессы аннигиляции. вещества и антивещества, диссипацию развитой турбулентности, крупномасштабных потенциальных движений, испарение первичных чёрных дыр малой массы, распад нестабильных элементарных частиц, предсказывают значит, энерговыделение на ранних стадиях расширения Вселенной. В то же время любое выделение энергии на этапе, когда темп-ра M. ф. и. менялась от 3·10 8 К до 3 К, должно было заметно исказить его чернотельный спектр. T. о., спектр M. ф. и. несёт информацию о тепловой истории Вселенной. Более того, эта информация оказывается дифференцированной: выделение энергии на каждом из трёх этапов расширения

Вызывает специфич. искажение спектра. На первом этапе сильнее всего искажается спектр в ДВ-области, на втором и третьем - в коротковолновой. Свой вклад в искажение спектра в КВ-области вносит уже сам процесс рекомбинации. Фотоны, испускаемые при рекомбинации, обладают энергией ок. 10 эВ, что в десятки раз превышает ср. энергию фотонов равновесного излучения той эпохи (при К). Таких энергичных фотонов крайне мало (от общего их числа). Поэтому рекомбинацион ное излучение, возникающее при образовании нейтральных атомов, должно было сильно исказить спектр M. ф. и. на волнах

Ещё один нагрев вещество Вселенной могло испытать при образовании галактик. Спектр M. ф. Комптона эффект). Особенно сильные изменения происходят в этом случае в КВ-области спектра. Одна из кривых, демонстрирующих возможное искажение спектра M. ф. и., приведена на рис. 1 (шриховая кривая). Имеющиеся изменения в спектре M. ф. и. показали, что вторичный разогрев вещества во Вселенной произошёл много позже рекомбинации.

фотона возрастает во много раз, и радиофотон превращается в фотон рентг. излучения, энергия же электрона меняется незначительно. Поскольку этот процесс повторяется многократно, электрон постепенно теряет всю энергию. Наблюдаемое со спутников и ракет рентг. фоновое излучение, по-видимому, частично обязано своим происхождением этому процессу.

Протоны и ядра сверхвысоких энергий также подвержены воздействию фотонов M. ф. и.: при столкновениях с ними ядра расщепляются, а соударения с протонами приводят к рождению новых частиц (электроп-позитронных пар, пионов и т. д.). В результате энергия протонов быстро уменьшается до пороговой, ниже к-рой рождение частиц становится невозможным но законам сохранения энергии и импульса. Именно с этими процессами связывают практич. отсутствие в космич. лучах частиц с энергией а также малое кол-во тяжёлых ядер.

Лит.: Зельдович Я. Б., "Горячая модель" Вселенной, "УФН", 1966, т. 89, с. 647; Вайнберг С., Первые три минуты, пер. с англ., M., 1981. P. А. Сюняев.

• - 1) процесс возбуждения электромагнитных волн в окружающей среде колеблющимися заряженными частицами; 2) излучением называют также сами электромагнитные волны в процессе их распространения в той или иной среде...

  Начала современного Естествознания

Одна из составляющих общего фона косм. эл. магн. излучения. Р. и. равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно чёрного I тела при темп ре ок. 3 К, обнаружено амер. учёными А. Пензиасом и … Физическая энциклопедия

РЕЛИКТОВОЕ излучение, заполняющее Вселенную космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Наблюдается на волнах от нескольких мм до десятков см, практически изотропно. Происхождение… … Современная энциклопедия

Фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой ок. 3 К. Наблюдается на волнах от нескольких мм до десятков см, практически изотропно. Происхождение реликтового излучения связывают с эволюцией … Большой Энциклопедический словарь

реликтовое излучение - Фоновое космическое радиоизлучение, которое образовалось на ранних стадиях развития Вселенной. [ГОСТ 25645.103 84] Тематики условия физические косм. пространства EN relict radiation … Справочник технического переводчика

Фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой около 3°K. Наблюдается на волнах от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, практически изотропно. Происхождение реликтового излучения… … Энциклопедический словарь

Электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной (См. Вселенная). Р. и. существовало уже на ранних стадиях расширения Вселенной и играло важную роль в её эволюции; является уникальным источником информации о её прошлом … Большая советская энциклопедия

Реликтовое излучение - (от лат. relicium остаток) космическое электромагнитное излучение, связанное с эволюцией Вселенной, начавшей свое развитие после «большого взрыва»; фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с… … Начала современного естествознания

Фоновое космич. излучение, спектр к рого близок к спектру абсолютно чёрного тела с темп рой ок. 3 К. Наблюдается на волнах от неск. мм до десятков см, практически изотропно. Происхождение Р. и. связывают с эволюцией Вселенной, к рая в прошлом… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Тепловое фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Происхождение Р. и. связано с эволюцией Вселенной, которая в далёком прошлом имела высокую температуру и плотность излучения… … Астрономический словарь

Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формировани … Википедия

Книги

• Комплект таблиц. Эволюция Вселенной (12 таблиц) , . Учебный альбом из 12 листов. Артикул - 5-8676-012. Астрономические структуры. Закон Хаббла. Модель Фридмана. Периоды эволюции Вселенной. Ранняя Вселенная. Первичный нуклеосинтез. Реликтовое…
• Космология , Стивен Вайнберг. Монументальная монография нобелевского лауреата Стивена Вайнберга обобщает результаты прогресса, достигнутого за последние два десятилетия в современной космологии. Она является уникальной по…