Космический микроволновый фон



РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3.

Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновым фоновым излучением» 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. Иногда в научной и популярной литературе можно также встретить термин «трехградусное космическое излучение». Далее мы будем называть это излучение «реликтовым».


Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.

Теория горячей Вселенной.

В 1929 американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) открыл, что большинство галактик удаляется от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположена галактика (закон Хаббла). Это было интерпретировано как всеобщее расширение Вселенной, начавшееся примерно 15 млрд. лет назад. Встал вопрос о том, как выглядела Вселенная в далеком прошлом, когда галактики только начали удаляться друг от друга, и даже еще раньше.
тя математический аппарат, основанный на общей теории относительности Эйнштейна и описывающий динамику Вселенной, был создан еще в 1920-е годы Виллемом де Ситтером (1872–1934), Александром Фридманом (1888–1925) и Жоржем Леметром (1894–1966), о физическом состоянии Вселенной в раннюю эпоху ее эволюции ничего не было известно. Не было даже уверенности, что в истории Вселенной существовал определенный момент, который можно считать «началом расширения».

Развитие ядерной физики в 1940-е годы позволило начать разработку теоретических моделей эволюции Вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже был достаточно надежно измерен по наблюдениям спектров звезд: в среднем они состоят на 2/3 из водорода и на 1/3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц – протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.

Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.


В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

В 1946 в США «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной предложил физик русского происхождения Георгий Гамов (1904–1968). В 1948 была опубликована работа его сотрудников – Ральфа Альфера и Роберта Хермана, в которой рассматривались ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения с целью получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов.


те годы стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в первые мгновения эволюции вещества было естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2–4 млрд. лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла, вытекавшим в те годы из астрономических наблюдений.

Сравнивая возраст Вселенной в 2–4 млрд. лет с оценкой возраста Земли – около 4 млрд. лет, – приходилось предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах – процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли и других тел уже не было времени.

Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.

С другой стороны, содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом – в ограниченном количестве.


Основная идея теории Гамова как раз и состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 сек после начала расширения температура была около 30 млрд. K. В таком горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.

Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда кельвинов, некоторое количество возникающего дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия.
счеты показывают, что температуру и плотность вещества можно согласовать так, чтобы к этому моменту доля нейтронов в веществе составляла около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные тяжелые частицы остались в виде протонов – ядер атомов водорода. Ядерные реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, температура ее вещества и излучения снижается. Из работ Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K.

Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.


Казалось бы, решающим тестом для выбора между холодной и горячей моделями Вселенной мог стать поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.

На пути к обнаружению реликтового излучения.

В середине 1960-х годов астрофизики продолжали теоретически изучать горячую модель Вселенной. Вычисление ожидаемых характеристик реликтового излучения было выполнено в 1964 А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым в СССР и независимо Ф.Хойлом и Р.Дж.Тейлором в Великобритании. Но эти работы, как и более ранние работы Гамова с коллегами, не привлекли к себе внимания. А ведь в них уже было убедительно показано, что реликтовое излучение можно наблюдать. Несмотря на крайнюю слабость этого излучения в нашу эпоху, оно, к счастью, лежит в той области электромагнитного спектра, где все прочие космические источники в целом излучают еще слабее. Поэтому целенаправленный поиск реликтового излучения должен был привести к его открытию, но радиоастрономы не знали об этом.

Вот что сказал А.Пензиас в своей нобелевской лекции: «Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 в краткой статье А.Г.Дорошкевича и И.Д.Новикова, озаглавленной Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии.
тя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале «Советская физика – Доклады», статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории «Белл» в Кроуфорд-Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!» (цит. по: Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной: Жизнь и труд Эдвина Хаббла. М., 1989).

К сожалению, эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями; она не стимулировала поиск реликтового излучения. Историки науки до сих пор гадают, почему долгие годы никто не пытался сознательно искать излучение горячей Вселенной. Любопытно, что мимо этого открытия – одного из крупнейших к 20 в. – ученые прошли несколько раз, не заметив его.

Например, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941. Тогда канадский астроном Э.Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Дзета Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана, причем их вращение должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К.
нечно, никто не мог подумать тогда, что возбуждение вращательных уровней этих молекул вызывается реликтовым излучением. Лишь после его открытия в 1965 были опубликованы работы И.С.Шкловского, Дж.Филда и др., в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, линии которых отчетливо наблюдаются в спектрах многих звезд, вызвано именно реликтовым излучением.

Еще более драматичная история произошла в середине 1950-х годов. Тогда молодой ученый Т.А.Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С.Э.Хайкина и Н.Л.Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Уилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда еще не было столь чувствительных приемников, которые появились впоследствии у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 в его кандидатской диссертации и в журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений были велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, теперь нам ясно, что Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни он сам, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.


Наконец, около 1964 к этой проблеме сознательно подошел известный физик-экспериментатор из Принстона (США) Роберт Дикке. Хотя его рассуждения основывались на теории «осциллирующей» Вселенной, которая многократно испытывает расширение и сжатие, Дикке ясно понимал необходимость поиска реликтового излучения. По его инициативе в начале 1965 молодой теоретик Ф.Дж.Э.Пиблс провел необходимые вычисления, а П.Г.Ролл и Д.Т.Уилкинсон начали сооружать маленькую низкошумящую антенну на крыше Пальмеровский физической лаборатории в Принстоне. Для поиска фонового излучения не обязательно использовать большие радиотелескопы, так как излучение идет со всех направлений. От того, что большая антенна фокусирует луч на меньшей площадке неба, ничего не выигрывается. Но группа Дикке не успела сделать запланированное открытие: когда их аппаратура уже была готова, им оставалось лишь подтвердить открытие, накануне случайно сделанное другими.

Открытие реликтового излучения.

В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 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 ее для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих с широких площадок на небе. В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пензиас 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 расчетам, 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, какой-то радиошум ожидался на такой длине волны и от земной атмосферы, но этот шум должен 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 самой Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение. (Отметим, что радиоволны с длинами в сантиметры или дециметры, вплоть до 1 м, обычно называют «микроволновым излучением». Такое название дано потому, что эти длины волн меньше, чем у тех ультракоротких волн, которые использовали в радарах в начале Второй мировой войны.)

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 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 микроволнового шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиоволны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объема 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 угнездилась 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 утихомирены 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 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 учтены, 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 нагрето 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 приятелем Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тсрнера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Филом Пиблслм, 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 были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением с помощью теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убежденные 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. 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.

Микроволновый фон как «новый эфир».

Итак, спектр реликтового излучения с очень высокой точностью соответствует излучению абсолютно черного тела (т.е. описывается формулой Планка) с температурой Т = 2,73 К. Однако наблюдаются небольшие (около 0,1%) отклонения от этой средней температуры в зависимости от того, в каком направлении на небе проводится измерение. Дело в том, что реликтовое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной со всей системой разбегающихся галактик, в так называемой «сопутствующей системе отсчета», которая расширяется вместе с Вселенной. В любой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления. В первую очередь это вызвано движением измеряющего прибора относительно реликтового излучения: эффект Доплера приводит к «посинению» фотонов, летящих навстречу прибору, и к «покраснению» догоняющих его фотонов.

При этом измеренная температура по сравнению со средней (Т0) зависит от направления движения: T = T0 (1 + (v/c) cos i), где v – скорость прибора в системе координат, связанной с реликтовым излучением; c – скорость света, i – угол между вектором скорости и направлением наблюдения. На фоне однородного распределения температуры появляется два «полюса» – теплый в направлении движения и прохладный в противоположном направлении. Поэтому такое отклонение от однородности называют «дипольным». Дипольная составляющая в распределении реликтового излучения была обнаружена еще при наземных наблюдениях: в направлении на созвездие Льва температура этого излучения оказалась на 3,5 мК выше средней, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, мы движемся относительно реликтового излучения со скоростью около 400 км/с. Точность измерений оказалась настолько высокой, что обнаружились даже годовые вариации дипольной составляющей, вызванные обращением Земли вокруг Солнца со скоростью 30 км/с.

Измерения с искусственных спутников Земли существенно уточнили эти данные. По данным COBE, после учета орбитального движения Земли получается, что Солнечная система движется так, что амплитуда дипольной составляющей температуры реликтового излучения D T = 3,35 мК; это соответствует скорости движения V = 366 км/с. Движется Солнце относительно излучения в направлении границы созвездий Льва и Чаши, к точке с экваториальными координатами a = 11h 12m и d = –7,1° (эпоха J2000); что соответствует галактическим координатам l = 264,26° и b = 48,22°. Учет движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении l0 = 93 ± 2° и b0 = –4 ± 2°. Поэтому движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении около l = 269° и b = +29°. Это примерно под углом 45° относительно направления на центр скопления галактик в Деве (Virgo).

Изучение движений галактик в еще большем масштабе показывает, что совокупность ближайших скоплений галактик (119 скоплений из каталога Абеля в пределах 200 Мпк от нас) движется как целое относительно реликтового излучения со скоростью около 700 км/с. Таким образом, наша окрестность Вселенной плывет в море реликтового излучения с заметной скоростью. Астрофизики неоднократно обращали внимание на то, что сам факт существования реликтового излучения и связанной с ним выделенной системой отсчета отводит этому излучению роль «нового эфира». Но ничего мистического в этом нет: все физические измерения в этой системе отсчета эквивалентны измерениям в любой другой инерциальной системе отсчета. (Обсуждение проблемы «нового эфира» в связи с принципом Маха можно найти в книге: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975).

Анизотропия реликтового излучения.

Температура реликтового излучения является лишь одним из его параметров, описывающих раннюю Вселенную. В свойствах этого излучения сохранились и другие явные следы очень ранней эпохи эволюции нашего мира. Астрофизики находят эти следы, анализируя спектр и пространственную неоднородность (анизотропию) реликтового излучения.

Согласно теории горячей Вселенной, по прошествии примерно 300 тыс. лет после начала расширения температура вещества и связанного с ним излучения уменьшилась до 4000 К. При этой температуре фотоны уже не могли ионизовать атомы водорода и гелия. Поэтому в ту эпоху, соответствующую красному смещению z = 1400, произошла рекомбинация горячей плазмы, в результате которой плазма превратилась в нейтральный газ. Тогда еще никаких галактик и звезд, конечно, не было. Они возникли значительно позже.

Став нейтральным, заполняющий Вселенную газ оказался практически прозрачным для реликтового излучения (хотя в ту эпоху это были не радиоволны, а свет видимого и близкого инфракрасного диапазонов). Поэтому древнее излучение почти беспрепятственно доходит до нас из глубин пространства и времени. Но все же по пути оно испытывает некоторые влияния и как археологический памятник несет на себе следы исторических событий.

Например, в эпоху рекомбинации атомы испускали много фотонов с энергией порядка 10 эВ, что в десятки раз превышает среднюю энергию фотонов равновесного излучения той эпохи (при T = 4000 К таких энергичных фотонов крайне мало, порядка одной миллиардной доли от их общего числа). Поэтому рекомбинационное излучение должно было бы сильно исказить планковский спектр реликтового излучения в диапазоне длин волн около 250 мкм. Правда, расчеты показали, что сильное взаимодействие излучения с веществом приведет к тому, что выделившаяся энергия в основном «рассосется» по широкой области спектра и не сильно его исказит, но будущие точные измерения смогут заметить и это искажение.

А значительно позже, в эпоху формирования галактик и первого поколения звезд (при z ~ 10), когда огромная масса уже почти остывшего вещества вновь испытала значительный нагрев, спектр реликтового излучения вновь мог измениться, поскольку, рассеиваясь на горячих электронах, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (так называемый «обратный эффект Комптона»). Оба описанные выше эффекта искажают спектр реликтового излучения в его коротковолновой области, которая пока наименее исследована.

Хотя в нашу эпоху большая часть обычного вещества плотно упакована в звездах, а те в галактиках, все же и вблизи нас реликтовое излучение может испытать заметное искажение спектра в том случае, если его лучи по пути к Земле проходят сквозь крупное скопление галактик. Обычно такие скопления заполнены разреженным, но очень горячим межгалактическим газом, имеющим температуру около 100 млн К. Рассеиваясь на быстрых электронах этого газа, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (все тот же обратный комптон-эффект) и переходят из низкочастотной, рэлей-джинсовской области спектра в высокочастотную, виновскую область. Этот эффект был предсказан Р.А.Сюняевым и Я.Б.Зельдовичем и обнаружен радиоастрономами в направлении многих скоплений галактик в виде понижения температуры излучения в рэлей-джинсовской области спектра на 1–3 мК. Эффект Сюняева – Зельдовича был открыт первым среди эффектов, создающих анизотропию реликтового излучения. Сравнение его величины с рентгеновской светимостью скоплений галактик позволило независимо определить постоянную Хаббла (H = 60 ± 12 км/с/Мпк).

Вернемся к эпохе рекомбинации. В возрасте менее 300 000 лет Вселенная представляла собой почти однородную плазму, содрогавшуюся от звуковых, а точнее – инфразвуковых волн. Расчеты космологов говорят, что эти волны сжатия и расширения вещества генерировали в непрозрачной плазме также колебания плотности излучения, и поэтому ныне они должны обнаруживаться в виде чуть заметной «зыби» в почти однородном реликтовом излучении. Поэтому сегодня оно должно приходить на Землю с разных сторон с чуть разной интенсивностью. В данном случае речь идет не о тривиальной дипольной анизотропии, вызванной движением наблюдателя, а о вариациях интенсивности, действительно присущих самому излучению. Их амплитуда должна быть крайне мала: примерно одна стотысячная доля самой температуры излучения, т.е. порядка 0,00003 К. Их очень трудно измерить. Первые попытки определить величины этих малых флуктуации в зависимости от направления на небе были сделаны сразу после открытия самого реликтового излучения в 1965. Позже они не прекращались, но открытие состоялось лишь в 1992 с помощью аппаратуры, вынесенной за пределы Земли. В нашей стране такие измерения были проведены в эксперименте «Реликт», но более уверенно эти малые флуктуации были зарегистрированы с американского спутника COBE (рис. 1).

Рис. 1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ реликтового излучения по всей небесной сфере (в галактических координатах) по данным эксперимента COBE. На трех панелях показана (сверху вниз) средняя температура, дипольная составляющая и мелкомасштабные флуктуации. В последнем случае на фоне анизотропного реликтового излучения явно проявилась полоса Млечного Пути.

В последнее время проводится и планируется много экспериментов по измерению амплитуды флуктуаций реликтового излучения в различных угловых масштабах – от градусов до секунд дуги. Различные физические явления, происходившие в самые первые мгновения жизни Вселенной, должны были оставить свой характерный отпечаток в приходящем к нам излучении. Теория предсказывает определенную зависимость между размерами холодных и горячих пятен в интенсивности реликтового излучения и их относительной яркостью. Зависимость очень своеобразная: в ней заключена информация о процессах рождения Вселенной, о том, что происходило сразу после рождения, а также о параметрах сегодняшней Вселенной.

Угловое разрешение первых наблюдений – в экспериментах «Реликт-2 и COBE – было очень плохое, примерно 7°, поэтому информация о флуктуациях реликтового излучения была неполной. В последующие годы такие же наблюдения проводились с помощью как наземных радиотелескопов (в нашей стране для этой цели используется инструмент РАТАН-600 с незаполненной апертурой диаметром 600 м), так и радиотелескопов, которые поднимались на воздушных шарах в верхние слои атмосферы.

Принципиальным шагом в исследовании анизотропии реликтового излучения стал эксперимент «Бумеранг» (BOOMERANG), выполненный учеными США, Канады, Италии, Англии и Франции с помощью беспилотного аэростата НАСА (США) объемом 1 млн кубометров, который с 29 декабря 1998 по 9 января 1999 совершил круг на высоте 37 км вокруг Южного полюса и, пролетев около 10 тыс. км, сбросил гондолу с приборами на парашюте в 50 км от места старта. Наблюдения проводились субмиллиметровым телескопом с главным зеркалом диаметром 1,2 м, в фокусе которого размещалась охлажденная до 0,28 K система болометров, измерявшая фон в четырех частотных каналах (90, 150, 240 и 400 ГГц) с угловым разрешением 0,2–0,3 градуса. За время полета наблюдениями было покрыто около 3% небесной сферы.

Зарегистрированные в эксперименте «Бумеранг» температурные неоднородности реликтового излучения с характерной амплитудой 0,0001 К подтвердили правильность «акустической» модели и показали, что четырехмерную пространственно-временную геометрию Вселенную можно считать плоской. Полученная информация позволила также судить и о составе Вселенной: подтвердилось, что обычное барионное вещество, из которого состоят звезды, планеты и межзвездный газ, составляет всего около 4% массы; а остальные 96% заключены в неизвестных пока формах материи.

Эксперимент «Бумеранг» был прекрасно дополнен подобным ему экспериментом MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), в основном выполненном учеными США и Италии. Их аппаратура, летавшая в стратосферу в августе 1998 и в июне 1999, исследовала менее 1% небесной сферы, но с высоким угловым разрешением: около 5′. Аэростат совершал ночные полеты над континентальной частью США. Главное зеркало телескопа имело диаметр 1,3 м. Приемная часть аппаратуры состояла из 16 детекторов, покрывавших 3 частотных диапазона. Вторичные зеркала охлаждались до криогенной температуры, а болометры – даже до 0,1 K. Такую низкую температуру удавалось поддерживать до 40 часов, чем и ограничивалась длительность полета.

Эксперимент MAXIMA выявил мелкую «зыбь» в угловом распределении температуры реликтового излучения. Его данные были дополнены наблюдениями наземной обсерватории с помощью интерферометра DASI (Degree Angular Scale Interferometer), установленного радиоастрономами Чикагского университета (США) на Южном полюсе. Этот 13-элементный криогенный интерферометр наблюдал в десяти частотных каналах в диапазоне 26–36 ГГц и выявил еще более мелкие флуктуации реликтового излучения, причем зависимость их амплитуды от углового размера хорошо подтверждает теорию акустических колебаний, унаследованных от молодой Вселенной.

Кроме измерений интенсивности реликтового излучения с поверхности Земли, планируются и космические эксперименты. В 2007 предполагается запустить в космос радиотелескоп «Planck» (Европейское космическое агентство). Его угловое разрешение будет существенно выше, а чувствительность примерно в 30 раз лучше, чем в эксперименте COBE. Поэтому астрофизики надеются, что многие факты о начале существования нашей Вселенной будут выяснены (см. рис. 1).

Владимир Сурдин

Источник: www.krugosvet.ru

В древние времена самым простым, а иногда и единственным способом для достижения чего-либо невозможного человек считал обращение к помощи потусторонних сил.

Позже, вместе с бурным развитием наук появилась надежда, что технологический прогресс поможет устранить необходимость привлечения сверхъестественного для решения насущных проблем.

Но ведь потребности человека фактически не удовлетворимы, а границы желаемого расширяются намного быстрее, пределов достижимого.

Поэтому даже ученые иногда прибегают к помощи демонов, особенно когда им необходимо бросить вызов какому-нибудь фундаментальному научному закону. Например, второму началу термодинамики, неумолимая суровость которого, теоретически когда-нибудь приведет к концу своего существования всю нашу Вселенную.

И вот, примерно полтора века назад, чтобы обойти этот закон Джеймс Клерк Максвелл призвал демона, которого теперь все так и называют — «демон Максвелла».

Правда «демоном» его назвал другой знаменитый ученый — Уильям Томсон, которого в свою очередь королева Виктория в благодарность за заслуги перед короной нарекла «бароном Кельвином», именем, под которым он с тех пор и известен всему миру.

Кстати, Томсон в 1851 году и сформулировал одно из определений второго закона термодинамики, который в его интерпретации звучит следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы.

При этом Томсон опирался на исследования Сади Карно, который в 1824 году в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённой паровым машинам, первым сформулировал идею, заложившую основу для понимания второго начала термодинамики:

при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу; для постоянного производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайней мере два тепловых резервуара с различными температурами — нагреватель и холодильник.

Но и здесь, если говорить о названиях, не все просто и однозначно. На самом деле, исторически первая формулировка закона и его определение «вторым началом термодинамики» принадлежат Рудольфу Клаузиусу.

Более того, понятие энтропии, её обозначение и название тоже были введены Клаузиусом в 1865 году.

Хотя, когда речь заходит об энтропии, большинство в первую очередь вспоминает Людвига Больцмана.

Энтропия — степень упорядоченности системы.

И раз речь, наконец, дошла до энтропии, то самое время вернуться к нашему демону.

Итак, «демон» впервые появился в письме, которое Максвелл написал Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года в виде описания мысленного эксперимента, гипотетически позволяющего нарушать второй закон термодинамики. Позже он снова появился в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, и только потом он был окончательно представлен публике в книге Максвелла 1872 года по термодинамике под названием «Теория тепла».

В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между комнатами, как «определенное существо» («finite being»). Как уже упоминалось, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, первым использовавший слово «демон» для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году, на самом деле имел в виду посредническую, а не злобную коннотацию этого слова.

Согласно описанию Максвелла суть его мысленного эксперимента состоит в следующем:

представим себе герметичный контейнер, разделенный на две одинаковые части A и B газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца. В начале опыта обе половины заполнены газом определенной температуры. Как известно температура вещества зависит от средней скорости движения молекул в нем, но при этом отдельные молекулы двигаются с разной скоростью — есть быстрые и медленные молекулы. Задача «демона» состоит в том, чтобы распознавать и отслеживать быстрые и медленные молекулы, и открывать дверцу в нужный момент, чтобы молекулы с высокой кинетической энергией переходили из секции от A в секцию B, а молекулы с низкой кинетической энергией из B в A. Таким образом, он без затрат работы поднимет температуру секции B и понизит температуру секции A, что противоречит второму закону термодинамики.
При этом тепловая машина, работающая между секциями A и B, могла бы извлечь полезную работу из этой разницы температур.

Но это было бы слишком здорово, практически прямой путь к созданию вечного двигателя.

Все надежды на привлечение «демона Максвелла» к такому нужному делу были развеяны в 1929 году Лео Сцилардом. Сцилард обратил внимание на то, что реальный демон Максвелла должен иметь какие-то средства измерения молекулярной скорости и что получение информации тоже потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, следует учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Расход энергии демоном вызовет увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.

Звучит исчерпывающе! Казалось бы, вопрос закрыт? Снова «невозможное изобретение»!

И да, и нет.

Да – такое изобретение воплотить невозможно. Но, нет — вопрос не закрыт до сих пор.

Поскольку нарушение законов физики, в отличие от прочих законов, не грозит перспективой наказания, а вот на премию типа Нобелевской нарушитель вполне может рассчитывать, то желающих представить миру свою версию демона Максвелла превеликое множество.

Только за последнее десятилетие было предпринято несколько эффектных попыток.

В 2010 году мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета.

Источник: pikabu.ru

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, как оказалось, несет ин­формацию о процессах, происходивших во Вселенной до образования галактик, квазаров и других объектов Все­ленной. В связи с этим фоновое микроволновое излуче­ние и стали называть реликтовым, т. е. излучением, ос­тавшимся от прошлых эпох. Обнаружение микроволно­вого фонового излучения явилось одним из фундамен­тальных открытий современной астрономии, поэтому сто­ит подробней остановиться на экспериментах, приведших к его обнаружению.

Важно отметить специфику наблюдений в рассматри­ваемом диапазоне длин волн. Излучение в диапазоне от 20 до 1 см проходит через земную атмосферу и может наблюдаться с помощью наземных радиотелескопов. Ми­кроволновое излучение на более коротких длинах волн, от 1 см и короче, практически полностью поглощается земной атмосферой. Поэтому для измерения микровол­нового фонового излучения и излучения отдельных кос­мических источников в этом диапазоне необходим вы­нос измерительной аппаратуры за пределы земной атмо­сферы. Микроволновый фон в диапазоне от 20 и до 60 см проходит через земную атмосферу, но он настолько слаб, что забивается более мощным синхротронным излучени­ем релятивистских электронов, входящих в состав галак­тических космических лучей.

Несмотря на то что микроволновый диапазон длин волн, доступный для наблюдений с поверхности Земли, исследуется радиоастрономами в течение уже нескольких десятков лет, микроволновый фон был обнаружен совсем недавно, в 1965 г. (хотя был теоретически предсказан в конце 40-х годов). Радиоастрономы долго не могли обнаружить микроволновый фон, так как методы, использовавшиеся для обнаружения и исследования от­дельных источников, были совершенно неприменимы для его регистрации. Например, можно обнаружить слабый радиоисточник с помощью многократного сканирования приемной антенной около предполагаемого местоположе­ния источника. При этом сигнал от источника при каж­дом сканировании будет складываться, а сигнал посто­роннего шума будет расти значительно медленнее. За достаточно большой промежуток времени мы можем на­копить сравнительно большой сигнал от источника, ко­торый будет превышать посторонний шумовой сигнал. Эта методика совершенно не годится для наблюдения микроволнового фонового излучения, которое, как ока­залось, распределено изотропно по небу.

Другой метод поиска основан на обнаружении слабо­го источника, излучающего на определенной длине вол­ны. К таким источникам, например, относятся облака межзвездного нейтрального водорода, излучающие на волне 21 см. Для обнаружения источника используется чувствительный приемник, настроенный на прием излу­чения на заданной длине волны. Однако микроволновое фоновое излучение, как оказалось, имеет непрерывный спектр, более похожий, например, на излучение нашей Земли.

Таким образом, открытие реликтового излучения пот­ребовало предварительной разработки совершенно но­вой методики наблюдений и совершенно нового типа ра­диотелескопов. В 1964 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон разработали и построили ра­диотелескоп, предназначавшийся для приема сигналов, отраженных от спутников «Эхо», и позволивший им «слу­чайно» зарегистрировать микроволновое фоновое излу­чение. Сердцем этого радиотелескопа был микроволно­вый приемник, меривший излучение на длине волны око­ло 7 см. Этот приемник позволял практически полностью избавиться от шумов, генерируемых в самом приемнике, которые были в 1000 раз интенсивнее наблюдаемого слабого микроволнового фона (рис. 5). От шумового сигнала приемника избавились с помощью введения мо­дулятора, который периодически с частотой около 100 Гц подключал вход приемника то к приемной антенне, улав­ливающей микроволновое излучение, то к источнику эта­лонного сигнала (источник сравнения). Таким образом, в приемник поступал модулированный с частотой 100 Гц сигнал, амплитуда которого была равна разности меж­ду известной интенсивностью сигнала от источника срав­нения и неизвестной интенсивностью микроволнового фо­на. На этот сигнал, который затем поступал на усили­тель, накладывались шумы приемника. Так как усили­тель был настроен на частоту модуляции, то он одновре­менно и усиливал, и фильтровал сигнал от шумов. Пос­ле усилителя сигнал подавался на регистрирующее устройство. Уровень записанного сигнала определялся раз­ностью между известным сигналом источника сравнения и сигналом от наблюдаемого микроволнового фона. Та­ким образом, эта методика позволяла выделить полез­ный сигнал на фоне мощных шумов приемника. Кроме шумов приемника, на микроволновый фон, улавливае­мый антенной, накладывалось излучение Земли и зем­ной атмосферы, которые дали значительный вклад в наб­людаемую интенсивность.

Тепловое излучение Земли занимает полусферу во­круг антенны и сильно мешает при наблюдениях в обыч­ные параболические антенны, используемые радиоастро­номами, даже если ось антенны направлена в зенит. Это связано с тем, что диаграмма приема антенны имеет, кроме основного, также и боковые лепестки (т. е. ан­тенна может «видеть» сбоку и даже сзади). Несмотря на то что эффективность приема этими боковыми лепе­стками мала по сравнению с эффективностью приема ос­новной, осевой диаграммой, при наблюдениях микровол­нового фона, который в сотни раз слабее излучения Зем­ли, сигнал, воспринимаемый боковыми лепестками, мо­жет, однако, сильно исказить результат. Эта проблема была успешно разрешена использованием для приема рупорной антенны, которая имеет менее эффективное «боковое зрение» по сравнению с параболической ан­тенной. Практически при наблюдении в зенит рупорная антенна не чувствует излучения Земли.

Другим источником, который мешал наблюдениям микроволнового фона, явилось собственное излучение земной атмосферы. Для учета вклада этого излучения использовалась сильная зависимость излучения атмосфе­ры от зенитного расстояния. Эта зависимость связана с тем, что интенсивность излучения атмосферы пропорцио­нальна длине столба воздуха в направлении наблюде­ний. Так как атмосфера Земли имеет сферическую фор­му, то длина столба воздуха, а следовательно, и интен­сивность излучения атмосферы будут больше, чем боль­ше зенитное расстояние, в направлении которого мы наблюдаем.

Полная антенная температура (антенная температура Т связана с интенсивностью сигнала I(v) соотношением I(v)=2kTv2/c2, т. е. определяется интенсивно­стью излучения абсолютно черного тела (в области Рэлея — Джин­са). Ясно, что если воспринимаемое антенной излучение имеет фор­му Рэлея — Джинса, то антенная температура будет просто равна температуре излучения. Если в наблюдаемое излучение дают вклад различные источники, то сумма интенсивностей на заданной частоте будет определяться просто суммой антенных температур соответ­ствующих источников), измеренная Пензиасом и Вильсоном, при наблюдениях в зенит составила 6,7 °К, из которых 2,7 °К обязано вкладу излучения ат­мосферы, а 0,9 °К — излучений стенок волноводов и дру­гих частей приемной аппаратуры (так называемый вклад от омических потерь). С учетом этого был полу­чен избыток температуры, равный 3,5±1°К, который нельзя было никак объяснить, если только не предполо­жить, что этот избыток определяется фоновым излучением, приходящим извне Земли. Интенсивность этого фонового излучения оказалась на два порядка выше той, которая ожидалась при экстраполяции фонового радио­излучения (рассмотренного в предыдущей главе) в дан­ный диапазон частот. Отсюда следовал вывод, что фон, зарегистрированный в этом диапазоне, не имеет ниче­го общего с радиофоном, наблюдаемым на более длин­ных волнах.

После этой пионерской работы последовали многочис­ленные измерения микроволнового фона на других дли­нах волн, от 60 см и вплоть до 8 мм. Все они проводи­лись с поверхности Земли с помощью рупорных антенн примерно по той же методике, что и измерения Пензиа-са и Вильсона.Эти наблюдения показали, что темпера­тура микроволнового фона во всем рассматриваемом диапазоне длин волн имеет одно и то же значение, рав­ное 2,7 °К. Это постоянство измеренной температуры в таком широком диапазоне длин волн говорит о том, что спектр этого излучения имеет по форме «рэлей-джинсовский» вид, т. е. является тепловым излучением абсолют­но черного тела. В общем случае интенсивность излуче­ния абсолютно черного тела подчиняется формуле План­ка, которая переходит в формулу Рэлея — Джинса на частотах меньше значений, соответствующих максимуму излучения (на частотах, удовлетворяющих неравенству hv<kT), а на больших частотах — в формулу Вина. Для микроволнового фона максимум излучения прихо­дится на длину волны 1,1 мм (максимальная интенсивность теплового излучения с темпера­турой T=2,7 °К приходится, по закону смещения Вина, на длину волны Лямбда max=0,29/T°К=0,11 см).

Следует отметить, что все эксперименты дали не толь­ко одно и то же значение температуры микроволнового фонового излучения, но и показали, что оно распределе­но по небу изотропно с высокой степенью точности. 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 микроволнового фона не может быть и внутри Солнечной системы, так как наб­людалась бы суточная вариация интенсивности излучения. В силу этого был сделан вывод о внегалактической природе этого фонового излучения.

Предположение о чернотельной природе микроволно­вого фонового излучения требовало, чтобы оно имело максимум интенсивности на длине волны 1,1 мм, а на более коротких волнах интенсивность должна быстро уменьшаться. Поэтому критическими экспериментами для выяснения природы микроволнового фона являлись измерения в миллиметровом и более коротковолновом диапазонах. Но здесь сразу же возникли трудности, свя­занные с необходимостью выноса приемной аппаратуры за пределы земной атмосферы. Атмосфера Земли погло­щает практически все излучение в диапазоне длин волн короче нескольких миллиметров вплоть до ближней ин­фракрасной области. Рассмотрим один из пионерских ракетных экспериментов, подтвердивших планковский характер распределения интенсивности микроволнового фона.

В отличие от радиодиапазона измерения фонового излучения в миллиметровом и далеком инфракрасном диапазонах длин волн требуют глубокого охлаждения не только приемника излучения, но и всей антенно-вол­новодной системы. Необходимость охлаждения приемни­ка связана со спецификой работы болометра (измерите­ля энергии падающего излучения) из германия при сверхнизких температурах.

Если в радиодиапазоне поглощение приемных антенн пренебрежимо мало (вне зависимости от температуры антенны) и вся падающая на них энергия радиоизлуче­ния полностью направляется в приемник, то в далеком инфракрасном диапазоне антенны сильно поглощают падающую на них энергию. Это поглощение тем силь­нее, чем выше температура антенны. Кроме этого, ан­тенно-волноводная система является сама источником теплового излучения. Часть этой излученной энергии мо­жет попасть в приемник и там дать дополнительный вклад в измеряемое излучение. Это постороннее излу­чение тем выше, чем выше температура антенно-волно­водной системы. В силу этих причин стремятся умень­шить поглощение и постороннее излучение антенно-вол­новодной системы, охлаждая ее до температур, когда их влиянием можно пренебречь. В общем случае ясно, чтонеобходима охладить эту систему до температуры ниже температуры измеряемого микроволнового фона. При чем эта низкая температура должна поддерживаться на постоянном уровне в течение всего времени наблюдений. С этой задачей успешно справилась группа американ­ских ученых из Лос-Аламосской исследовательской ла­боратории, которые в мае 1971 г. осуществили запуск ракеты и при помощи ее аппаратуры измерили релик­товый фон. Ракета была запущена с Гавайских остро­вов. На высоте 120 км над Землей была сброшена носо­вая часть ракеты, под которой находилась, аппаратура для измерения фона. Начиная с высоты 185 км начались сами измерения фона, которые проводились вплоть до максимальной высоты 340 км и далее при спуске. Наб­людения длились 7 мин, из них фоновое излучение из­мерялось в течение 110 с.

Прибор для измерения фона состоял из трех отдель­ных болометров, погруженных в криостат с жидким сверхпроводящим гелием с температурой 1,5 °К. Приме­нение различных фильтров у болометров позволяло про­вести измерения в трех различных диапазонах длин волн. Здесь для нас основной интерес представляют наб­людения в диапазоне от 6 до 0,8 мм. Германиевый боло­метр имел сравнительно большую площадь (4X4 мм2), что позволило значительно повысить его чувствитель­ность. Приемная антенна и волноводная часть имели ко­ническую форму, причем поле зрения телескопа состав­ляло 0,1 ,ср, что соответствует 0,01 части всего неба. Тем­пература жидкого гелия и антенно-волноводной систе­мы поддерживалась постоянной в течение наблюдений за счет отвода тепла при испарении жидкого гелия. Для уменьшения шумов приемника применялась методика частотной модуляции сигнала с помощью камертонного модулятора, настроенного на частоту примерно 20 Гц. Для калибровки сигнала использовались наблюдения ис­точника сравнения с известной температурой, который также помещался внутри криостата. На рис. 6 представ­лена запись зарегистрированного сигнала. Резкие подъе­мы на записи соответствуют наблюдениям в направле­ниях, близких к горизонту, где сильно излучает атмосфе­ра. Квадратными скобками сверху отмечены промежут­ки времени, в течение которых измерения использова­лись для получения температуры микроволнового фона. Температуре фона, полученная в этом эксперименте, ока­залась равной 3,1+0,5-2,0 °К. Таким образом, эти наблюдения окончательно под­твердили чернотельную природу микроволнового фонового излучения.

После этого экспери­мента последовал еще ряд аналогичных экспери­ментов, которые подтвер­дили полученный вывод. На рис. 7,а представлен наблюдаемый спектр ми­кроволнового фона, а на рис. 7,б — излучение фо­на во всех диапазонах спектра; пунктиром от­мечены теоретические оценки фона.

Таким образом, набор экспериментальных дан­ных подтверждает вывод о чернотельной природе микроволнового фона и его внегалактическом про­исхождении. Несмотря на то что большинство аст­рономов считают это из­лучение реликтовым, ос­тавшимся от эпохи до об­разования реальных объ­ектов (подробно об этом мы будем говорить ни­же), следует сказать не­сколько слов о попытках объяснить реликтовый фон, как и радиофон. В период первых наблюде­ний микроволнового фо­нового излучения в ра­диодиапазоне была сде­лана попытка объяснить его суммарным излуче­нием дискретных источ­ников с инвертированны­ми спектрами. Большинство известных источников обладают обычным степен­ным спектром излучения, таким, что интенсивность из­лучения падает с ростом частоты (в источниках с инвер­тированным спектром интенсивность растет с ростом частоты). Привлечение таких источников для объясне­ния спектральных свойств микроволнового фона связа­но с тем, что в сантиметровом и дециметровом диапазо­нах фоновое излучение имеет инвертированный спектр; интенсивность его растет в сторону высоких частот про­порционально второй степени от частоты. Мы не будем останавливаться подробно на этой интерпретации, тем более, что она имеет только исторический интерес. Отме­тим только, что для объяснения спектра микроволнового фона необходимо подобрать и согласовать большое чис­ло параметров, описывающих эти источники. Причем нужно предположить их крайне экзотическое распреде­ление (например, их число должно намного превышать число галактик), эти источники должны были бы давать флуктуации фона, превышающие те, которые наблюда­ются. Кроме того, анализ подсчета числа слабых радио­источников, излучающих на волне 21 см, как раз в диа­пазоне, где фоновое излучение и наблюдается, хорошо согласуется с подсчетами радиоисточников на более длинных волнах. Это указывает на то, что в дециметро­вом диапазоне, если и есть какой вклад от дискретных источников, то эти источники имеют обычный спектр. Кроме того, эти подсчеты показали, что существование объектов с инвертированными спектрами весьма сомни­тельно. Следовательно, мы приходим к выводу о том, что микроволновый фон не связан ни с каким из извест­ных типов космических источников, а обусловлен про­цессами, происходившими до того момента, когда образо­вались все известные нам объекты, т. е. микроволновое чернотельное излучение имеет реликтовую природу.

Для того чтобы понять природу реликтового излуче­ния, обратимся к процессам, имевшим место на ранних стадиях расширения Вселенной. Так как эти стадии не­вообразимо далекого прошлого, то необходима модель, которая описывала бы наблюдаемую Вселенную и ко­торая дала бы нам информацию о ранних, не наблюдае­мых непосредственно фазах расширения. Мы должны обратиться к космологии — науке о Вселенной как в це­лом, включающей в себя теорию всей охваченной наблю­дениями области как части Вселенной.

  • ← Фоновое излучение в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах
  • Релятивистская космология →

Источник: collectedpapers.com.ua

Космический микроволновый фон

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.

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.

Космический микроволновый фон

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.

Космический микроволновый фон

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.

Космический микроволновый фон

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!)

Космический микроволновый фон

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.

Космический микроволновый фон

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.

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.

Космический микроволновый фон

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.

Космический микроволновый фон

Графики спектра мощности КМФИ показывают, насколько сильна каждая мода, и после их суммирования они воспроизводят картинку КМФИ.

Космический микроволновый фон

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.

Космический микроволновый фон

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: habr.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.