Реликтовое излучение

В ходе последующего расширения Вселенной температура  плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения. «В своей работе 1948 года Гамов впервые предположил, что излучение Большого Взрыва может иметь характерную особенность — это излучение абсолютно черного тела. Важнейшей характерной особенностью излучения абсолютно черного тела является его температура».²

 Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чёрнотельный спектр излучения остаётся чёрнотельным, уменьшается лишь температура излучения. «На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого взрыва».³ Пока температура превышала 4000 K, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта Вселенной. При T ≈ 4000K произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения температура излучения продолжала падать, но чёрнотельный характер излучения сохранился как реликт, как «память» о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни излучение 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 почти полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождение микроволнового фонового излучения.

Фоновое излучение изотропно  лишь в системе координат, связанной с «разбегающимися» галактиками, в т. н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с микроволновым фоновым излучением. Действительно, в силу эффекта Доплера, фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с м. ф. и., их энергии равны. Поэтому и температура излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления.

 Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твёрдо установлена: в направлении на созвездие Льва температура реликтового излучения на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно м. ф. и. со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно фонового излучения Она составляет ≈ 600 км/с.

Спектрофотометр дальнего инфракрасного  излучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового  излучения. Эти измерения стали  наиболее точными на сегодняшний  день измерениями спектра абсолютно чёрного тела. Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

Спектр наполняющего Вселенную  реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 K. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6,706 мК), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы координат, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с.

«Автор теории вечной стационарной Вселенной — Хойл — вынужден был признать, что придется модернизировать теорию для объяснения реликтового излучения. В 1992 г. измерения ничтожно малых вариаций фонового излучения подтвердили еще одно из предсказаний теории расширяющейся Вселенной. Исследователи интерпретируют эту «рябь» как флуктуации плотности вещества и энергии на ранних стадиях эволюции Вселенной. Такая рябь может объяснить скучивание вещества под влиянием собственной гравитации, ведущее к образованию звезд, галактик и более крупных структур, наблюдаемых в современной Вселенной.

Космология Большого Взрыва Г. Гамова заняла прочное место в  современной науке.»⁴

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Обнаружение в последние  время большой роли космологического вакуума вызвало возрождение  повышенного интереса к космологии вообще и к исследованию реликтового  излучения в частности. На эти  исследования расходуются значительные средства многих стран. При этом прогресс в исследования этого феномена природы  происходит быстро и на наших глазах.

Исторически открытие реликтового излучения и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

«Хотя работа Пензиаса и Вильсона нанесла сокрушительный удар по теории стационарной Вселенной и обеспечила твердую экспериментальную основу теории Большого Взрыва, в понимании структуры расширяющейся Вселенной существовали огромные пробелы. Например, в модели Вселенной Фридмана для того, чтобы понять, как эволюционирует Вселенная, необходимо знать значение, средней плотности Вселенной. Однако определение ее оказалось довольно проблематичным, когда ученые обнаружили, что Вселенная состоит не только из известных нам атомов и молекул, а еще и из незнакомой новой субстанции, называемой «темным веществом», которая весит в 10 раз больше обычного вещества».⁵

Вот так, хотя и не сразу, изучение реликтового  излучения способствовало открытию новых тайн Вселенной. И, безусловно, то, что дальнейшее изучение микроволнового реликтового излучения приведёт к разгадке ещё не одной такой тайны, в том числе и происхождения всего сущего.

 

                      СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Нагинер Д. И. Реликтовый фон и его  искажения. Учебно-методическое пособие. Спб. 2002.
2. М.В.Сажин «Современная космология в популярном изложении». УРСС, Москва 2002
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов. Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004.
5. Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций.Изд. 4-е. — Ростов н/Д: Феникс, 2005.
6. Дж.Ф. Смут - Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение (Успехи Физических Наук (УФН) Т.177 2007, № 12, Нобелевская лекция по физики - 2006.
7. Каку Мичио. Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса. Перев. с англ. — М.: ООО Издательство «София», 2008.
8. Л.-Х.Цимерманис. Вселенная во Вселенной. Издательство: ЛКИ: 2008
9. Материалы электронного ресурса «Знания-сила.народ.ру» (http://znaniya-sila.narod.ru)
10. Материалы электронного ресурса «Онлайн Энциклопедия Кругосвет» (http://www.krugosvet.ru/taxonomy/term/43)
11. Материалы электронного ресурса «Российская Астрономическая Сеть» (http://www.astronet.ru)
12. Материалы электронного ресурса «ModCos – Современная космология» (http://modcos.com/index.php)

¹ Каку Мичио. Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса. Перев. с англ. — М.: ООО Издательство «София», 2008.

² Каку Мичио. Указ соч.

³ Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004

⁴ Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов. Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.

⁵ Каку Мичио. Указ соч.