Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay
Открытая группа
4590 участников
Администратор Adm-X
Администратор vladmiza

Последние откомментированные темы:

20240328172152

←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →
2программист пишет:

Реликтовое излучение. Обзор. Часть 1.

 

Содержание.

  1. Что такое «реликтовое излучение» (РИ)?
  2. Как было открыто реликтовое излучение.
  3. Предыстория открытия.
  4. Общие свойства реликтового излучения.
  5. Анизотропия реликтового излучения. Общие сведения.
  6. Источники анизотропии.
  7. Выводы.

В настоящее время в сети довольно много информации о реликтовом излучении. Однако она страдает рядом недостатков. Почти все популярные статьи на эту тему не содержат сути явления и не говорят о том, почему оно так важно для науки. Поэтому мне показалось полезным собрать эту информацию в одну статью, систематизировать свои знания и поделиться ими с другими членами нашего клуба.

  1. Что такое «реликтовое излучение» (РИ)?

На ранних стадиях своего существования Вселенная была очень горячей. Первоначально гипотезу «горячей Вселенной» высказал наш соотечественник, Георгий Антонович Гамов, эмигрировавший в США. Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная обладала огромной плотностью вещества и высокой его температурой, превышающей 108К. В таких условиях из первоначального горячего и плотного нейтронного газа образовывались протоны, в результате активно протекающих ядерных реакций из протонов и нейтронов образовывались стабильные ядра изотопов водорода и гелия. Считается, что примерно 98% ядер гелия образовалось в первые секунды жизни Вселенной. После остывания, еще до момента образования звезд, процесс образования ядер почти прекращается. Спустя 20 лет после предсказания группой Гамова был оценен химический состав Вселенной. Оказалось, предсказания середины 1940-х годов, что должно быть 75% водорода, 25% гелия и сотые доли процента всех остальных элементов, были подтверждены через 20 лет, что говорит о справедливости гипотезы «горячей Вселенной». Впоследствии после ряда важнейших открытий теория была существенно дополнена, и теперь называется моделью ΛCDM, где буква Λ – лямбда, означает, что теория использует Λ-член в уравнениях Эйнштейна, описывающий влияние «темной энергии», а CDM – аббревиатура Cold Dark Matter – холодная темная материя. Согласно этой модели, для согласования с наблюдениями (в частности, космической обсерватории «Планк») возраст Вселенной должен быть принят равным 13,799 ± 0,021 миллиарда лет.

В диссертации Ральфа Альфера, аспиранта Гамова, было отмечено, что частицы юной Вселенной погружены в море фотонов. 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. Так как основным процессом, определяющим пробег фотонов, было томсоновское рассеяние на свободных электронах, фотоны не могли двигаться прямо, а испытывали многократные рассеяния. В этом «бурлящем котле» находилось обычное вещество. Высокие плотность и температура излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам. В таких условиях Вселенная была непрозрачна для света.

В ходе последующего расширения Вселенной температура плазмы падала. Когда она достигла значения примерно 4000К, стала возможной рекомбинация атомов, то есть, соединение атомных ядер и свободных электронов. Электроны смогли соединиться с ядрами атомов – протонами, дейтронами, и альфа-частицами, образовав изотопы водорода и гелия. При этом плотность свободных электронов понизилась настолько, что длина свободного пробега фотонов стала сравнимой с размерами Вселенной.

Доля плазмы в веществе резко уменьшилась, наступила так называемая эпоха разделения вещества и излучения, или эпоха рекомбинации. Фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом, начали распространяться свободно, Вселенная стала прозрачной.

Из работ Гамова и его учеников – Ральфа Альфера и Роберта Германа 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной верна, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K. К 1950 году Гамов уточнил это значение до 3К.

До наступления эпохи рекомбинации в условиях очень больших температур и плотностей первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамическом равновесии с излучением, это очень важный факт. В ранней Вселенной частицы вещества имели малую длину свободного пробега, и термодинамическое равновесие устанавливалось очень быстро. Физика знает, что при равновесных излучательных процессах спектр излучения является спектром излучения абсолютно черного тела. Современная Вселенная из-за очень редкого взаимодействия частиц вещества, имеющих громадные длины свободного пробега, не находится в состоянии термодинамического равновесия.

Здесь необходимо небольшое пояснение. В термодинамике абсолютно черным телом называется не такое тело, которое совершенно черное на вид и поэтому не испускает света. Абсолютно черным называется тело, которое не отражает свет. Например, наше Солнце можно считать абсолютно черным телом. Спектр излучения абсолютно черного тела точно описывается знаменитой формулой Планка, которая положила начало квантовой механике. Я привожу ее здесь без дополнительных объяснений, только для общего представления. Согласно Планку, зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от частоты излучения и температуры:

где ν – частота, Т – температура, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, c – скорость света. Форма кривой Планка приведена на рис. 1 – сплошная линия.

С наступлением эпохи рекомбинации излучение, по-прежнему имевшее «чернотельный» спектр, высвободилось и стало свободно распространяться во Вселенной. Конечно, излучение от рекомбинации тоже внесло свой вклад в состав РИ, но этот вклад оценивается всего в 10-9, то есть, в один фотон рекомбинационного излучения на миллиард фотонов «чернотельного». При этом продолжалось расширение Вселенной. В ходе её дальнейшего расширения температура излучения падала, но «чернотельный» характер излучения сохранился как реликт, как «память» о раннем периоде эволюции мира, поэтому его и назвали «реликтовым». Термин «реликтовое излучение» ввел советский астрофизик И.С. Шкловский.

Рис. 1. Частотный спектр реликтового излучения (точки с отрезками, указывающими на погрешности), измеренный инструментом FIRAS, и его сравнение со спектром абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. Показана интенсивность в зависимости от частоты излучения (нижняя горизонтальная ось) или от длины волны (верхняя горизонтальная ось). Погрешности измерения умножены на 400.

В литературе РИ часто называют CMBcosmic microwave background, или микроволновым фоновым излучением. Со временем вследствие расширения Вселенной длина волны РИ возрастала, соответственно, частота уменьшалась. Это соответствует смещению максимума кривой Планка влево, как будто температура излучающего твердого тела понижается.

Такое изменение спектра РИ назвали «остыванием излучения». В современном состоянии спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения четко соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 кельвина. На рис. 1 приведен реальный спектр современного реликтового излучения. Погрешности, показанные вертикальными черточками, увеличены в 400 раз, иначе на рисунке их не было бы видно, настолько они малы. Сплошная линия – теоретическая кривая Планка.

Странствуя по Вселенной, РИ остыло, но сохранило свойства, которые имело в момент своего образования, поэтому для космологов оно представляет собой неоценимый источник информации о ранней Вселенной. Реликтовое излучение – фотография «селфи», которую послала нам Вселенная, находившаяся в младенческом возрасте. Ей было на момент фотосъемки всего 380 000 лет. По словам одного из крупнейших мировых космологов Р.А. Сюняева, «Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к микроволновому фоновому излучению: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также практически полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождение микроволнового фонового излучения».

 

  1. Как было открыто реликтовое излучение.

Великолепная работа Альфера и Германа оказалась финалом первой стадии разработки модели горячей Вселенной. В середине 1950-х Георгий Гамов увлекся расшифровкой генетического кода и практически отошел от астрофизики. Тогда же Альфер и Герман перешли на работу в промышленные корпорации и тоже оставили фундаментальную науку. В космологии вошла в моду концепция стационарной Вселенной, выдвинутая в конце 1940-х годов Фредом Хойлом и его коллегами. Эта теория считала нашу Вселенную вечной, а космическое пространство хотя и расширяющимся, но чисто эвклидовым. В итоге работы Гамова и его помощников были сочтены анахронизмом и преданы забвению.

Гамов и его партнеры понимали, что мощнейшим аргументом в пользу их модели стало бы открытие микроволнового фонового излучения с предсказанными Альфером и Германом характеристиками. Они пытались убедить радиоастрономов приступить к его поискам, но успеха не имели. В те времена немногие принимали гамовскую модель, и никто не желал тратить силы и время на ее подтверждение. К тому же радиометрические методы были еще довольно примитивными, поэтому поиски предсказанного излучения не обещали легкого успеха.

РИ было открыто совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании Bell Labs Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными за это в 1978 году Нобелевской премией.

В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». Мне в свое время довелось наблюдать этот спутник – большой надувной баллон, покрытый блестящей металлизированной пленкой, по яркости блеска на ночном небе уступавший только Луне. К 1963 для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон  и Арно Элан Пензиас из лаборатории компании Bell Labs решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 6-метровый 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 ничего не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение. Ожидалось пренебрежимо малое значение шума. Должен был быть атмосферный шум, он зависит от толщины атмосферы вдоль направления антенны. После вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не должно было оставаться никакого существенного сигнала от антенны и это подтверждало бы, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал.

Однако весной 1964 года Пензиас и Уилсон обнаружили существенное наличие сигнала. Сигнал обладал весьма любопытным свойством: он не зависел от направления, куда бы ни была направлена антенна. Значит, он не мог, например, исходить от звезды. Сигнал не менялся при направлении антенны на туманность Андромеды. Следовательно, он приходил не только не из Млечного пути, но и не из какой-либо другой галактики. Они проверили рупор антенны и обнаружили пару голубей, угнездившихся в нем. Пришлось изгнать голубей и отчистить рупор от продукта их жизнедеятельности. Сигнал практически не изменился. Он не менялся не только от времени суток, но и от времени года. Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Анализ его спектра показал, что пространство излучает так, как будто бы оно нагрето до температуры примерно от 2,5 до 4,5 кельвина. 

Пензиас и Уилсон не могли оценить значения полученного результата. Совершенно случайно Пензиас вышел с этим на астрофизика Роберта Дикке. Ученик Дикке, теоретик из Принстонского университета Фил Пиблс только недавно сделал доклад, в котором приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K. Пензиас и Уилсон встретились с принстонскими теоретиками и после обсуждения ситуации решили опубликовать в «Астрофизическом журнале» в одном номере две статьи: Пензиаса и Уилсона о факте открытия реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением с помощью теории горячей Вселенной.

За открытие РИ Нобелевскую премию получили только Пензиас и Уилсон. Пензиас в своей лекции сказал, что советские астрофизики Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков за год до этого предсказали, где и как это можно наблюдать. Видимо, в связи с тем, что нашими соотечественниками эта работа была опубликована раньше, никто из теоретиков, ни группа Гамова, ни группа Дикке, не получил Нобелевскую премию. Премия осталась в Bell Labs.

  1. Предыстория открытия.

Вычисление ожидаемых характеристик реликтового излучения было выполнено в 1964 А.Г. Дорошкевичем и И.Д. Новиковым в СССР. Ирония судьбы заключается в том, что работа А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова была опубликована на Западе в журнале «Советская физика – Доклады», переводе советского журнала «Доклады АН СССР» (ДАН), но она 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 именно на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории Bell Labs в Кроуфорд-Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения! И только в следующем году радиофизики Р. Уилсон и А. Пензиас, не зная об этой статье, на этом рефлекторе обнаружили реликтовое излучение.

Более того, еще в середине 1950-х годов молодой советский ученый Т.А.Шмаонов провел измерения радиоизлучения из космоса. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 в журнале «Приборы и техника эксперимента» (ПТЭ, кстати, замечательный журнал!). Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ±3 К». Тигран Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Сейчас ясно, что Шмаонов измерял именно реликтовое излучение, однако ПТЭ хотя и переводился, но не был известным журналом, и об измерениях Шмаонова тоже никто не узнал.

Косвенная информация о РИ была известна еще раньше. В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами циана CN в межзвёздной среде, канадский астрофизик Эндрю Маккеллар измерял температуру возбуждения молекул циана при подсветке звездами. По идее молекулы циана должны были находиться на нижнем уровне колебательного спектра, однако оказалось, что все они возбуждены и находятся на первом энергетическом уровне, температура возбуждения этого уровня – около 3 градуса Кельвина. То, что возбуждение связано с взаимодействием с фотонами реликтового излучения, было неизвестно. Если бы это было известно, эволюция человечества пошла бы другим образом: мы бы не потеряли около 20 лет.

 

Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере

Это интересно
0

2программист 15.02.2020
Пожаловаться Просмотров: 541  
←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →


Комментарии временно отключены