Реликтовый свет


Фоновое или реликтовое излучение Вселенной каждую секунду  падает непрерывным потоком на поверхность Земли. Невооруженным глазом видна только крошечная часть излучения Вселенной, хотя, если бы мы могли увидеть весь электромагнитный спектр, небо пылало бы этим исконным излучением и днем, и ночью. Не нужно думать, что часть этого скрытого света представляет собой совсем невыразительное свечение.

Длинноволновое универсальное свечение – космический микроволновой фон или реликтовое излучение – показывает изменения которые произошли. Космический микроволновый фон несет в себе образ нашей Вселенной, какой она была сразу после своего рождения, и это открытие дало нам доказательства того, что начало Вселенной действительно было положено Большим Взрывом.

Радиоволны – посланники с информацией

Вдоль западного побережья Южной Африки растянулась пустыня Намиб. Это старейшая в мире пустыня; ее ландшафт — непостоянное море песка протяженностью более чем 77 700 квадратных километров, меняющееся каждую минуту.


о самая засушливая пустыня на планете, которая не видела влаги на протяжении более чем пятидесяти миллионов лет. Это мир, вылепленный Солнцем. Его энергия движет ветром, который собирает крошечные песчинки в великолепные дюны, и цвета, скрытые в его свете, раскрашивают пейзаж в темно-оранжевый цвет. Но даже тогда, когда солнце садится, пустыня продолжает сиять светом и цветом, однако человеческий глаз не может этого видеть.космическое реликтовое излучение

Видимый свет представляет собой крошечную долю света Вселенной. За пределами красного электромагнитный спектр простирается далеко на волнах, слишком длинных для того, чтобы наш глаз мог их видеть. В пустыне Намиб вы можете почувствовать этот свет, если поднесёте ладони к песку. Дюны хранят тепло еще долгое время после захода солнца, и это остаточное тепло — не более чем длинноволновой свет. Ученый назвал бы его инфракрасным светом: длина волны инфракрасного света больше, чем длина волны видимого света. Путешествуя далее по всему спектру, минуя инфракрасный свет, мы прибываем к микроволнам: спектр плавно переходит в область радиоволн, длина которых размером с гору.


При мониторинге радиоэфира вы настраиваетесь не на звуковые волны — вы собираете информацию, закодированную в отрезке электромагнитного спектра. Во Вселенной существует много видимого, не искусственного света, и существуют естественные микроволны и радиоволны. Это посланники, несущие по всей Вселенной подробную информацию о далеких местах и временах и отправляющие ее в наш технологически созданный искусственный глаз.

Источник: v-nayke.ru

Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках, подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.

Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см3.

Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10-30 г/см3. Это значит, что, если бы мы “размазали” все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода — наиболее распространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.


Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. Реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем тяжелых частиц протонов. Если мы учтем, помимо водорода, и другие химические элементы, в состав ядер которых входят не только протоны, но и нейтроны, то это практически ничего не изменит в нашей оценке, так как водород — главный элемент в природе. Итак, 109 реликтовых фотонов на одну тяжелую частицу.

Мы знаем, что сегодня в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства около 500 фотонов, летящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, соответствующую его частоте. При температуре 3° Кельвина большинство фотонов имеет энергию 10-15 эрг каждый. Значит, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10-15 эрг на 500, то есть 5 *10-13 эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5*10-13 эрг соответствует масса 5 * 10-34 грамма. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре в наши дни есть 5 • 10-34 грамма реликтового излучения.

Напомним, что обычного вещества на каждый кубический сантиметр приходится в среднем 10-30 грамма. Значит, по массе вещества в две тысячи раз больше, чем реликтового излучения. Поэтому, хотя по числу штук фотонов гораздо больше, по общей массе обычное вещество сильно преобладает над реликтовым излучением. Масса реликтового излучения пренебрежимо мала.


Проследим, что было и с теми, и с другими частицами в прошлом.

В обозримом прошлом ни те ни другие частички не рождались и не исчезали. Здесь необходимы некоторые уточнения. Первое из них относится к реликтовым фотонам. Сегодняшняя Вселенная практически прозрачна для реликтового излучения. Ясно, что реликтовые фотоны в современной Вселенной в подавляющем большинстве не взаимодействуют с веществом и не могут из-за этого меняться в числе. В далеком прошлом, когда плотность вещества была велика, была велика и температура. Вещество Вселенной было ионизовано и являлось почти однородной плазмой. Оно тогда было непрозрачным для излучения. Реликтовые фотоны активно взаимодействовали с веществом. Но сколько фотонов в какой-то малый промежуток времени поглощалось в толще вещества, столько же этим горячим веществом и рождалось! Существовало, как говорят, равновесие между излучением и веществом. Поэтому и в этот период соотношение — миллиард реликтовых фотонов на один протон — оставалось справедливым.

Второе уточнение относится к протонам.

В своем далеком прошлом, в самые первые мгновения после начала расширения, во Вселенной было так горячо, что при температуре больше десяти тысяч миллиардов градусов столкновение частиц рождало протоны и их античастицы — антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Ко всему этому мы еще вернемся. Пока мы не обращаемся к экзотическим первым мгновениям, можно считать, что и реликтовые фотоны и тяжелые частицы являются не рождающимися и не исчезающими.


Помня это, отправимся в прошлое. В прошлом плотность числа и тех и других частиц была, конечно, больше, чем сейчас, и возрастали эти плостности при углублении в прошлое в одинаковое количество раз. Значит, остается неизменным их отношение: один протон на миллиард фотонов.

Но между фотонами и тяжелыми частицами есть огромная разница. Масса тяжелых частиц все время неизменна. А энергия фотонов с расширением Вселенной уменьшается из-за красного смещения. Раз меняется энергия, значит, меняется и масса каждого фотона (эта масса целиком связана с энергией его движения). Раньше каждый фотон был энергичнее, а значит, и тяжелее.

В некоторый момент в прошлом суммарная масса миллиарда потяжелевших фотонов, приходящихся на один протон, сравнивается с массой этого протона.

В этот момент в прошлом в каждом кубическом сантиметре масса обычного вещества и масса реликтового излучения сравниваются. Произошло это, когда плотность вещества (и равная ей тогда плотность излучения) была 10-20 г/см3, температура излучения и вещества тогда была около 6 тысяч градусов. Реликтовое излучение было не радиоволнами, а видимым светом. Конечно, в эту эпоху не было отдельных небесных тел, они возникли существенно позже. А еще раньше?


Еще раньше масса реликтового излучения превосходила массу обычного вещества!

Вот такое было совершенно необычное состояние. Его называют эрой фотонной плазмы.

То, о чем мы будем говорить в последующих строках, покажется кадрами из фантастического фильма. Мы подойдем к моменту начала расширения на ничтожные доли секунды — меньше одной стотысячной доли — и встретимся с совершенно необычными процессами.

На ранних стадиях расширения основную долю массы физической материи во Вселенной составляет свет и, анализируя эту стадию, мы можем на время забыть о ничтожной доли примеси к квантам света частиц обычного вещества, того вещества, которое играет основную роль в наше время, из которого состоят звезды, планеты и мы сами.

Продолжим путешествие в прошлое к сингулярности. Например, через одну секунду после начала расширения температура была десять миллиардов градусов. При меньшем времени температура еще больше. При такой огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с превращением в кванты света — фотоны.

Для рождения пары электронов и позитронов надо затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е = МС2). Следовательно, такие процессы могут идти лишь при температуре выше десяти миллиардов градусов, когда много квантов света обладает подобными энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, возможна также и обратная реакция — столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон — позитрон. Когда температура еще выше, возможно рождение более тяжелых частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других.


При температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов существовало примерно в равных количествах множество сортов частиц (и в равных количествах их античастиц), в том числе и с большой массой. По мере расширения температура падала, и энергии частиц не хватало для рождения пар тяжелых частиц и античастиц, например, таких, как протон и антипротон. Эти частицы “вымирали”.

При дальнейшем уменьшении температуры “вымирают” разные виды мезонов.

Очень важное событие происходит при времени около 0,3 секунды после начала расширения. В этот момент присутствуют кванты света, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино (для простоты мы говорим только об одном сорте нейтрино — об электронных нейтрино).

При высокой температуре нейтрино и антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно.

Однако нейтрино — частицы, очень слабо взаимодействующие с другими объектами, для них даже плотное вещество прозрачно. И вот при 0,3 секунды после начала расширения все вещество Вселенной, включая и электроны и позитроны, становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом. В дальнейшем их число не меняется, и они сохраняются вплоть до наших дней, только их энергия должна упасть из-за красного смещения при расширении точно так же, как температура квантов электромагнитного излучения.


Таким образом, в нашу эпоху во Вселенной, помимо реликтового электромагнитного излучения, должны существовать реликтовые нейтрино и антинейтрино. Энергия этих частиц должна равняться примерно энергии квантов сегодняшнего реликтового электромагнитного излучения, и концентрация их также примерно совпадает с концентрацией реликтовых квантов.

Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляло бы огромный интерес. Ведь для нейтрино Вселенная прозрачна, начиная с долей секунды после начала расширения. Обнаружив реликтовое нейтрино, мы могли бы непосредственно заглянуть в далекое прошлое Вселенной, информацию о которой несут эти частицы.

К сожалению, обнаружение нейтрино столь низких энергий, какими должны быть реликтовые нейтрино, пока практически невыполнимая задача.

В связи с этим напомним, что на наших глазах рождается нейтринная астрономия. Мы стоим на пороге систематического исследования потоков нейтрино, рождающихся при ядерных реакциях вблизи центра Солнца. Эти нейтрино позволяют непосредственно заглянуть в центр Солнца, так как вся масса Солнца для них абсолютно прозрачна.» Нейтринное “просвечивание” Солнца позволит уточнить наши знания о его внутреннем строении. Точно так же в будущем астрофизикам предстоит осуществить нейтринное “просвечивание” нашей Вселенной.


Итак, мы посмотрели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.

Новиков И.Д.

Источник: www.o8ode.ru

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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!)

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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

Реликтовый свет

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.

Реликтовый свет

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.