Реликтова светлина. Колко полезна е космическата микровълнова фонова радиация? Реликтовото излъчване говори за хомогенността на Вселената

Един от интересни откритиясвързано с електромагнитния спектър е космическа фонова радиация. Открит е случайно, въпреки че възможността за съществуването му е била предсказана.

Историята на откриването на реликтовото лъчение

История на откритията реликтово излъчване стартира през 1964 г. американски лабораторен персонал Bell Phoneразработи комуникационна система, използваща изкуствен спътник на Земята. Тази система трябваше да работи на вълни с дължина 7,5 сантиметра. Такива къси вълни по отношение на сателитните радиокомуникации имат някои предимства, но до Арно Пензиаси Робърт Уилсънникой не е решил този проблем.

Те бяха пионери в тази област и трябваше да се уверят, че няма силни смущения на същата дължина на вълната или че комуникационните работници са знаели за такива смущения предварително. По това време се смяташе, че само точковите обекти харесват радио галактикиили звезди.

Източници на радиовълни

Учените имаха на разположение изключително точен приемник и ротационна рупорна антена. С тяхна помощ учените можеха да чуят всичко небесен сводподобно на това как лекарят слуша гърдите на пациента със стетоскоп.

Сигнал от естествен източник

И щом антената беше насочена към една от точките на небето, крива линия затанцува на екрана на осцилоскопа. Типично сигнал естествен източник . Вероятно експертите са били изненадани от късмета си: още в първата измерена точка - източник на радиоизлъчване!

Но където и да насочваха антената си, ефектът оставаше същият. Учените отново и отново провериха изправността на оборудването, но то беше вътре в перфектен ред. И накрая разбраха, че са открили непознат досега феномен на природата: цялата вселена беше, така да се каже, изпълнена с радиовълни с дължина сантиметър.

Ако можехме да видим радиовълни, небесният свод щеше да ни изглежда светещ от край до край.

Откритието на Пензиас и Уилсън е публикувано. И не само те, но и учени от много други страни започнаха да търсят източници на мистериозни радиовълни, които се улавят от всички пригодени за тази цел антени и приемници, където и да се намират и към коя точка на небето се насочват, и интензитетът на радиоизлъчването при дължина на вълната от 7,5 сантиметра във всяка точка беше абсолютно еднакъв, изглеждаше равномерно разпределен по небето.

CMB радиация, изчислена от учени

Съветските учени А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, които предсказаха фонова радиацияпреди отварянето му направи най-трудните изчисления.. Те взеха предвид всички източници на радиация, налични в нашата Вселена, и взеха предвид как радиацията на определени обекти се променя с времето. И се оказа, че в областта на сантиметровите вълни всички тези излъчвания са минимални и следователно по никакъв начин не са отговорни за засеченото небесно сияние.

Междувременно допълнителни изчисления показаха, че плътността на размазваната радиация е много висока. Ето сравнение на фотонното желе (както учените нарекоха мистериозното лъчение) с масата на цялата материя във Вселената.

Ако цялата материя на всички видими галактики е равномерно „разпръсната“ върху цялото пространство на Вселената, тогава ще има само един водороден атом на три кубически метра пространство (за простота ще считаме цялата материя на звездите за водород) . В същото време всеки кубичен сантиметър реално пространство съдържа около 500 фотона радиация.

Много, дори ако сравняваме не броя на единиците материя и радиация, а директно техните маси. Откъде идва такава интензивна радиация?

По едно време съветският учен А. А. Фридман, решавайки известните уравнения на Айнщайн, откри, че нашата вселена е в непрекъснато разширяване. Скоро беше намерено потвърждение за това.

Американецът Е. Хъбъл откри рецесия на галактиките. Екстраполирайки това явление в миналото, може да се изчисли моментът, когато цялата материя на Вселената е била в много малък обем и нейната плътност е била несравнимо по-голяма от сега. В хода на разширяването на Вселената, удължаването на дължината на вълната на всеки квант също се случва пропорционално на разширяването на Вселената; в този случай квантът, така да се каже, „охлажда“ - в крайна сметка колкото по-къса е дължината на вълната
квантово, толкова "по-горещо" е.

Днешната сантиметрова радиация има яркостна температура от около 3 градуса абсолютни Келвин. А преди десет милиарда години, когато Вселената е била несравнимо по-малка и плътността на нейната материя е била много висока, тези кванти са имали температура от около 10 милиарда градуса.

Оттогава нашата Вселена е „изпълнена с“ кванти на непрекъснато охлаждаща радиация. Ето защо сантиметровото радиоизлъчване, „размазано“ над Вселената, получи името
реликтово излъчване.

реликви, както знаете, се наричат ​​останките от най-древните животни и растения, оцелели до наши дни. Сантиметровите радиационни кванти са най-старите от всички възможни реликви. В края на краищата тяхното формиране принадлежи към епоха, която е на около 15 милиарда години от нас.

Познанието за Вселената донесе космическа микровълнова фонова радиация

На практика нищо не може да се каже за това каква е била материята в нулевия момент, когато нейната плътност е била безкрайно висока. Но явленията и процесите, протекли в Вселена, само секунда след нейното раждане и дори по-рано, до 10 ~ 8 секунди, учените вече разбират доста добре. Информацията за това беше донесена от фонова радиация.

И така, измина една секунда от нулевия момент. Материята на нашата Вселена имаше температура от 10 милиарда градуса и се състоеше от вид "каша" реликтови кванти, електроди, позитрони, неутрино и антинеутрино. Плътността на "кашата" беше огромна - повече от тон за всяка кубичен сантиметър. В такава "теснота" непрекъснато се случваха сблъсъци на неутрони и позитрони с електрони, протоните се превръщаха в неутрони и обратно.

Но най-вече тук имаше кванти - 100 милиона пъти повече от неутрони и протони. Разбира се, при такава плътност и температура не биха могли да съществуват сложни ядра на материята: те не се разпадат тук.

Изминаха сто секунди. Разширяването на Вселената продължи, нейната плътност непрекъснато намаляваше, температурата падаше. Позитроните почти изчезнаха, неутроните се превърнаха в протони.

Започва образуването на атомните ядра на водорода и хелия. Изчисленията, извършени от учени, показват, че 30 процента от неутроните се комбинират, за да образуват хелиеви ядра, докато 70 процента от тях остават сами, превръщайки се във водородни ядра. В хода на тези реакции възникнаха нови кванти, но техният брой вече не можеше да се сравни с първоначалния, така че можем да приемем, че той изобщо не се е променил.

Разширяването на Вселената продължи. Плътността на "кашата", толкова стръмно сварена от природата в началото, намалява пропорционално на куба на линейното разстояние. Минаха години, векове, хилядолетия.

Минали са 3 милиона години. Температурата на „кашата“ до този момент падна до 3-4 хиляди градуса, плътността на веществото също се доближи до тази, която ни е известна днес, но съсиреците от материя, от които могат да се образуват звезди и галактики, все още не могат да възникнат. По това време радиационното налягане беше твърде голямо и разтърсваше всяка такава формация. Дори атомите на хелия и водорода останаха йонизирани: електроните съществуваха отделно, протоните и атомните ядра - също отделно.

Едва към края на тримилионния период започват да се появяват първите удебеления в изстиващата "каша". Отначало имаше много малко от тях. Веднага след като една хилядна от „кашата“ се кондензира в своеобразни протозвезди, тези образувания започват да „горят“ подобно на съвременните звезди.

А излъчените от тях фотони и енергийни кванти затоплиха започналата да се охлажда „каша“ до температури, при които образуването на нови кондензации отново се оказа невъзможно.

Периодите на охлаждане и повторно нагряване на „кашата“ от изблици на протозвезди се редуваха, заменяйки се един друг. И на някакъв етап от разширяването на Вселената образуването на нови бучки стана практически невъзможно, дори само защото някога толкова гъстата "каша" беше твърде "разредена".

Приблизително 5 процента от материята успяха да се обединят, а 95 процента се разпръснаха в пространството на разширяващата се Вселена. Така се "разпръскват" и някога горещите кванти, образували реликтовото лъчение. Така се разпръснаха ядрата на водородните и хелиевите атоми, които бяха част от „кашата“.

Хипотезата за образуването на Вселената

Около някои от тези звезди са се образували планетарни системи, поне на една от тези планети е възникнал живот, който в хода на еволюцията е породил разум. Колко често се срещат звезди в необятността на космоса, заобиколени от кръгъл танц на планети, учените все още не знаят. Нито могат да кажат нищо за това колко често.

И остава открит въпросът колко често растението на живота разцъфтява в пищен цвят на ума. Известните ни днес хипотези, които третират всички тези въпроси, са по-скоро необосновани предположения.

Но днес науката се развива лавинообразно. Съвсем наскоро учените нямаха представа как е започнало нашето. Реликтовото лъчение, открито преди около 70 години, направи възможно начертаването на тази картина. Днес на човечеството му липсват факти, въз основа на които да отговори на формулираните по-горе въпроси.

Проникването в открития космос, посещенията на Луната и други планети, носят нови факти. И фактите вече не са последвани от хипотези, а от строги заключения.

Реликтовото излъчване говори за хомогенността на Вселената

Какво още казаха на учените реликтовите лъчи, тези свидетели на раждането на нашата Вселена?

А. А. Фридман решава едно от уравненията, дадени от Айнщайн, и въз основа на това решение открива разширяването на Вселената. За да се решат уравненията на Айнщайн, беше необходимо да се зададат така наречените начални условия.

Фридман изхождаше от предположението, че Вселената е хомогеннаи изотропен, което означава, че материята е равномерно разпределена в него. И през 5-10 години, изминали от откриването на Фридман, въпросът дали това предположение е правилно остава отворен.

Вече по същество е премахнат. Изотропността на Вселената се доказва от удивителната еднородност на реликтното радиоизлъчване. За същото свидетелства и вторият факт – разпределението на материята на Вселената между галактиките и междугалактическия газ.

В крайна сметка междугалактическият газ, който съставлява основната част от материята на Вселената, е разпределен върху нея толкова равномерно, колкото реликтни кванти..

Откриването на реликтовото лъчение дава възможност да се погледне не само в свръхдалечното минало - отвъд такива граници на времето, когато не е имало нито нашата Земя, нито нашето Слънце, нито нашата Галактика, нито дори самата Вселена.

Подобно на удивителен телескоп, който може да бъде насочен във всяка посока, откриването на космическия микровълнов фон ви позволява да погледнете в ултра-далечното бъдеще. Такава свръхдалечна, когато няма да има нито Земя, нито Слънце, нито Галактика.

Феноменът на разширяването на Вселената ще помогне тук, тъй като звездите, които я съставляват, галактиките, облаците от прах и газ се разпръскват в космоса. Вечен ли е този процес? Или разширяването ще се забави, ще спре и след това ще бъде заменено от компресия? И не са ли последователните свивания и разширения на Вселената вид пулсации на материята, неразрушима
и вечен?

Отговорът на тези въпроси зависи преди всичко от това колко материя се съдържа във Вселената. Ако нейната обща гравитация е достатъчна, за да преодолее инерцията на разширяването, тогава разширяването неизбежно ще бъде заменено от свиване, при което галактиките постепенно ще се приближават една към друга. Е, ако силите на гравитацията не са достатъчни, за да забавят и преодолеят инерцията на разширението, нашата Вселена е обречена: тя ще се разпръсне в космоса!

CMB радиация- космически електромагнитно излъчванес висока степен на изотропия и със спектър, характерен за черно тяло с температура? 2,725 К. CMB радиацията е предсказана от G. Gamow, R. Alfer и R. Herman през 1948 г. въз основа на първата теория за Големия взрив, която те създават. Алфер и Херман успяха да установят, че температурата на космическия микровълнов фон трябва да бъде 5 К, а Гъмов даде прогноза в 3 К. Въпреки че някои оценки на температурата на космоса съществуваха преди това, те имаха няколко недостатъка. Първо, това бяха измервания само на ефективната температура на космоса, не се предполагаше, че радиационният спектър се подчинява на закона на Планк. Второ, те зависеха от нашето специално местоположение в края на Галактиката и не предполагаха, че радиацията е изотропна. Нещо повече, те биха дали напълно различни резултати, ако Земята беше някъде другаде във Вселената. Нито самият Г. Гамов, нито много от неговите последователи повдигат въпроса за експерименталното откриване на реликтовото лъчение. Очевидно те са вярвали, че тази радиация не може да бъде открита, тъй като тя "потъва" в енергийните потоци, донесени на земята от радиацията на звездите и космическите лъчи.

Възможността за откриване на реликтово лъчение на фона на лъчение от галактики и звезди в областта на сантиметровите радиовълни беше обоснована от изчисленията на A.G. Дорошкевич и И.Д. Новиков, направено по предложение на Я.Б. Зелдович през 1964 г., т.е. година преди откритието на А. Пепзиас и Р. Уилсън.

През 1965 г. Арно Пензиас и Робърт Удроу Уилсън построиха радиометъра Dicke, който възнамеряваха да използват не за CMB търсения, а за експерименти в радиоастрономията и сателитните комуникации. При калибриране на устройството се оказа, че антената има излишна температура от 3,5 Ккоето не можаха да обяснят. Малък шумов фон не се промени нито от посоката, нито от времето на работа. Първоначално решиха, че това е шум, присъщ на оборудването. Радиотелескопът беше демонтиран и неговият "пълнеж" беше тестван отново и отново. Гордостта на инженерите беше наранена и затова проверката премина до последния детайл, до последното спояване. Елиминира всичко. Отново се събраха - шумът се възобнови. След дълги размишления теоретиците стигнаха до извода, че това излъчване не може да бъде нищо повече от постоянен фон на космическо радиоизлъчване, което изпълва Вселената с равномерен поток. След като получи обаждането от Холдмдейл, Дике пошегува: „Ударихме джакпота, момчета.“ Среща между групите от Принстън и Холмдейл установи, че тази температура на антената е причинена от CMB. Астрофизиците са изчислили, че шумът съответства на температура от около 3 градуса по Келвин и „се чува на различни честоти. През 1978 г. Пензиас и Уилсън получават Нобелова награда за откритието си. Човек може да си представи колко щастливи бяха привържениците на "горещия" модел, когато пристигна това съобщение. Това откритие не само затвърди позицията на "горещия" модел. Реликтовото излъчване направи възможно слизането от квазарната времева стъпка (8-10 милиарда години) до стъпката, съответстваща на 300 хиляди години от самото "начало". В същото време беше потвърдена идеята, че Вселената някога е имала плътност милиард пъти по-висока от сегашната. Известно е, че нагрятото вещество винаги излъчва фотони. Според общите закони на термодинамиката това проявява желание за равновесно състояние, при което се достига насищане: раждането на нови фотони се компенсира от обратния процес, поглъщането на фотони от материята, така че общият брой фотони в средата не се променя. Този „фотонен газ“ изпълва равномерно цялата Вселена. Температурата на фотонния газ е близка до абсолютната нула – около 3 келвина, но съдържащата се в него енергия е по-голяма от светлинната енергия, излъчвана от всички звезди по време на живота им. За всеки кубичен сантиметър пространство във Вселената има приблизително петстотин кванта радиация, а общият брой на фотоните във видимата Вселена е няколко милиарда пъти по-голям. пълен номерчастици материя, т.е. атоми, ядра, електрони, които изграждат планети, звезди и галактики. Това общо излъчване на фона на Вселената се нарича лека ръкаИ.С. Шкловски, реликва, т.е. остатък, който е остатък, остатък от плътен и горещ Първоначално състояниеВселена. Ако приемем, че веществото ранна вселенабеше горещо, Г. Гамов прогнозира, че фотоните, които тогава са били в термодинамично равновесие с материята, трябва да се запазят в модерна епоха. Тези фотони са директно открити през 1965 г. Претърпял общо разширяване и охлаждане, свързано с него, газът от фотони сега формира фоновото излъчване на Вселената, което идва към нас равномерно от всички страни. Квантът на реликтовото лъчение няма маса на покой, както всеки квант на електромагнитното лъчение, но има енергия и следователно, според известната формула на Айнщайн E=Ms?, и масата, съответстваща на тази енергия. За повечето реликтови кванти тази маса е много малка: много по-малка от масата на водородния атом, най-често срещаният елемент в звездите и галактиките. Следователно, въпреки значителното преобладаване на броя на частиците, космическият микровълнов фон е по-нисък от звездите и галактиките по отношение на приноса си към общата маса на Вселената. В съвременната епоха радиационната плътност е 3*10 -34 g/cm 3 , което е около хиляда пъти по-малко от средната плътност на материята на галактиките. Но това не винаги е било така – в далечното минало на Вселената фотоните са имали основен принос за нейната плътност. Факт е, че в хода на космологичното разширение плътността на излъчване пада по-бързо от плътността на материята. В този процес не само концентрацията на фотони намалява (със същата скорост като концентрацията на частици), но и средната енергия на един фотон също намалява, тъй като температурата на фотонния газ намалява по време на разширяването. По време на последващото разширяване на Вселената температурата на плазмата и радиацията спадна. Взаимодействието на частиците с фотоните вече нямаше време да повлияе забележимо на емисионния спектър по време на характерното време на разширение. Въпреки това, дори при пълна липса на взаимодействие между радиация и материя, по време на разширяването на Вселената спектърът на излъчване на черното тяло остава черно тяло, само температурата на излъчване намалява. Докато температурата надхвърли 4000 К, първичната материя е била напълно йонизирана, обхватът на фотоните от едно събитие на разсейване до друго е бил много по-малък от хоризонта на Вселената. При T ? 4000Кимаше рекомбинация на протони и електрони, плазмата се превърна в смес от неутрални атоми на водород и хелий, Вселената стана напълно прозрачна за радиация. При по-нататъшното си разпространение температурата на лъчението продължава да пада, но чернотелесният му характер се запазва като реликва, като „спомен” от ранния период от еволюцията на света. Това лъчение е открито първо при дължина на вълната 7,35 cm, а след това и при други дължини на вълната (от 0,6 mm до 50 cm).

Няма звезди и радиогалактики, няма горещ междугалактически газ, няма повторно излъчване на видима светлина междузвезден прахне може да произведе радиация, доближаваща се до микровълновото фоново лъчение по свойства: общата енергия на това лъчение е твърде висока и неговият спектър не е подобен нито на спектъра на звездите, нито на спектъра на радиоизточниците. Това, както и почти пълното отсъствие на флуктуации на интензитета над небесната сфера (дребномащабни ъглови флуктуации), доказва космологичния, реликтов произход на микровълновото фоново лъчение.

Фоновото лъчение е изотропно само в координатната система, свързана с "отдалечаващите се" галактики, в т.нар. съпътстваща отправна система (тази рамка се разширява заедно с Вселената). Във всяка друга координатна система интензитетът на излъчване зависи от посоката. Този факт отваря възможността за измерване на скоростта на Слънцето спрямо координатната система, свързана с микровълновото фоново излъчване. Наистина, поради ефекта на Доплер, фотоните, разпространяващи се към движещ се наблюдател, имат по-висока енергия от тези, които го настигат, въпреки факта, че в системата, свързана с M.F. техните енергии са равни. Следователно радиационната температура за такъв наблюдател се оказва зависима от посоката. Диполната анизотропия на космическото микровълново фоново лъчение, свързана с движението на слънчевата система спрямо полето на това лъчение, вече е твърдо установена: в посока на съзвездието Лъв температурата на космическото микровълново фоново лъчение е 3,5 mK по-високо от средното, а в обратната посока (съзвездието Водолей) е със същото количество под средното. Следователно Слънцето (заедно със Земята) се движи спрямо mf. и. със скорост около 400 km/s към съзвездието Лъв. Точността на наблюденията е толкова висока, че експериментаторите фиксират скоростта на Земята около Слънцето, която е 30 km/s. Отчитането на скоростта на Слънцето около центъра на Галактиката позволява да се определи скоростта на Галактиката спрямо радиационния фон, тя е ~600 km/s. Далечен спектрофотометър инфрачервено лъчение(FIRAS) на спътника на НАСА Cosmic Background Explorer (COBE) направи прецизни измервания на CMB спектъра. Тези измервания се превърнаха в най-точните досега измервания на спектъра на черното тяло. В резултат на работата на американеца е изградена най-подробната карта на реликтовото излъчване космически кораб wmap.

Спектърът на реликтовото лъчение, изпълващо Вселената, съответства на спектъра на излъчване на абсолютно черно тяло с температура 2,725 К. Неговият максимум пада на честота 160,4 GHz, което съответства на дължина на вълната 1,9 mm. Той е изотропен с точност от 0,001% - стандартно отклонениетемпературата е приблизително 18 µK. Тази стойност не отчита диполната анизотропия (разликата между най-студената и най-горещата област е 6,706 mK), причинена от доплеровото изместване на честотата на излъчване поради нашата собствена скорост спрямо CMB рамката. Диполната анизотропия съответства на движението на слънчевата система към съзвездието Дева със скорост? 370 км/с.

CMB радиация

Извънгалактичното микровълново фоново лъчение се среща в честотния диапазон от 500 MHz до 500 GHz, което съответства на дължини на вълните от 60 cm до 0,6 mm. Това фоново лъчение носи информация за процесите, протичащи във Вселената преди образуването на галактики, квазари и други обекти. Тази радиация, наречена реликва, е открита през 1965 г., въпреки че е предсказана още през 40-те години на миналия век от Георги Гамов и е изследвана от астрономите в продължение на десетилетия.

В разширяващата се Вселена средната плътност на материята зависи от времето – в миналото е била по-голяма. По време на разширяването обаче се променя не само плътността, но и топлинната енергия на материята, което означава, че в ранния етап на разширение Вселената е била не само плътна, но и гореща. В резултат на това в наше време трябва да се наблюдава остатъчно лъчение, чийто спектър е същият като спектъра на абсолютно твърдо тяло, и това излъчване трябва да е вътре най-високата степенизотропно. През 1964 г. А. А. Пензиас и Р. Уилсън, тествайки чувствителна радиоантена, откриват много слабо фоново микровълново излъчване, от което не могат да се отърват по никакъв начин. Температурата му се оказа 2,73 K, което е близо до прогнозираната стойност. От експерименти върху изследвания на изотропията беше показано, че източникът на микровълново фоново лъчение не може да бъде локализиран вътре в Галактиката, тъй като тогава трябва да се наблюдава концентрация на радиация към центъра на Галактиката. Източникът на радиация не може да бъде локализиран и в Слънчевата система. ще се наблюдават денонощни промени в интензитета на радиацията. Поради това беше направено заключение за извънгалактичния характер на това фоново лъчение. Така хипотезата за гореща Вселена получи наблюдателна основа.

За да разберем природата на CMB, е необходимо да се обърнем към процесите, протичащи в ранните етапи на разширяването на Вселената. Нека разгледаме как физическите условия във Вселената са се променили по време на процеса на разширяване.

Сега всеки кубичен сантиметър пространство съдържа около 500 космически микровълнови фонови фотона и в този обем има много по-малко вещество. Тъй като съотношението на броя на фотоните към броя на барионите се запазва по време на разширяването, но енергията на фотоните намалява с времето поради разширяването на Вселената поради червеното отместване, можем да заключим, че в някакъв момент в миналото енергийната плътност на радиация беше повече плътностенергията на частиците на материята. Това време се нарича радиационен етап в еволюцията на Вселената. Етапът на радиация се характеризира с равенство на температурата на материята и радиацията. В онези дни радиацията напълно определя естеството на разширяването на Вселената. Приблизително един милион години след началото на разширяването на Вселената температурата спадна до няколко хиляди градуса и се случи рекомбинацията на електрони, които преди това бяха свободни частици, с протони и хелиеви ядра, т.е. образуването на атоми. Вселената е станала прозрачна за радиация и именно тази радиация сега улавяме и наричаме реликт. Вярно е, че оттогава, поради разширяването на Вселената, фотоните са намалили енергията си около 100 пъти. Образно казано, реликтовите радиационни кванти са "отпечатали" ерата на рекомбинацията и носят пряка информация за далечното минало.

След рекомбинацията материята за първи път започва да се развива самостоятелно, независимо от радиацията, и в нея започват да се появяват уплътнения – зародиши на бъдещи галактики и техните купове. Ето защо експериментите за изучаване на свойствата на реликтовото лъчение - неговия спектър и пространствени флуктуации - са толкова важни за учените. Усилията им не бяха напразни: в началото на 90-те. Руският космически експеримент "Реликт-2" и американският "Кобе" откриха разлики в температурата на реликтовото излъчване на съседни участъци от небето, като отклонението от средната температура е само около хилядна от процента. Тези температурни вариации носят информация за отклонението на плътността на материята от средната стойност през епохата на рекомбинация. След рекомбинацията материята във Вселената е разпределена почти равномерно и там, където плътността е поне малко над средната, привличането е по-силно. Вариациите на плътността впоследствие доведоха до образуването на широкомащабни структури, наблюдавани във Вселената, клъстери от галактики и отделни галактики. от модерни идеи, първите галактики трябва да са се образували в епоха, която съответства на червени премествания от 4 до 8.

Има ли някакъв шанс да погледнем още по-далеч в ерата, предхождаща рекомбинацията? До момента на рекомбинацията налягането на електромагнитното излъчване създаваше основно гравитационното поле, което забавяше разширяването на Вселената. На този етап температурата варира обратно пропорционално на корен квадратен от времето, изминало от началото на разширяването. Нека разгледаме последователно различни етапи от разширяването на ранната Вселена.

При температура от приблизително 1013 Келвина във Вселената се раждат и унищожават двойки различни частици и античастици: протони, неутрони, мезони, електрони, неутрино и т.н. Когато температурата падне до 5 * 1012 К, почти всички протони и неутрони се унищожават , превръщайки се в радиационни кванти; останаха само тези, за които нямаше „достатъчни“ античастици. Именно от тези "излишни" протони и неутрони основно се състои веществото на съвременната наблюдаема Вселена.

При Т= 2*1010 K всепроникващите неутрино престанаха да взаимодействат с материята – от този момент трябваше да остане „реликтовият неутринен фон“, който може да бъде открит в хода на бъдещи експерименти с неутрино.

Всичко, което току-що беше казано, се случи при супер високи температурив първата секунда след началото на разширяването на Вселената. Няколко секунди след момента на "раждането" на Вселената започва ерата на първичния нуклеосинтез, когато се образуват ядрата на деутерий, хелий, литий и берилий. Продължи приблизително три минути и основният му резултат беше образуването на хелиеви ядра (25% от масата на цялата материя на Вселената). Останалите елементи, по-тежки от хелия, съставляват незначителна част от веществото - около 0,01%.

След епохата на нуклеосинтезата и преди епохата на рекомбинацията (около 106 години) е имало спокойно разширяване и охлаждане на Вселената, а след това - стотици милиони години след началото - се появяват първите галактики и звезди.

През последните десетилетия развитието на космологията и физиката на елементарните частици направи възможно теоретичното разглеждане на самия начален, „свръхплътен“ период от разширяването на Вселената. Оказва се, че в самото начало на разширението, когато температурата е била невероятно висока (повече от 1028 K), Вселената може да бъде в специално състояние, в което се разширява с ускорение, а енергията на единица обем остава постоянна. Този етап на разширяване беше наречен инфлационен. Такова състояние на материята е възможно при едно условие – отрицателно налягане. Етапът на свръхбърза инфлационна експанзия обхваща малък период от време: той завършва до времето от около 10–36 s. Смята се, че истинското "раждане" на елементарни частици материя във формата, в която ги познаваме сега, се е случило точно след края на инфлационния етап и е причинено от колапса на хипотетичното поле. След това разширението на Вселената продължи по инерция.

Хипотезата за инфлационната вселена отговаря на редица важни въпросикосмологията, които доскоро се смятаха за необясними парадокси, в частност към въпроса за причината за разширяването на Вселената. Ако в своята история Вселената наистина е преминала през епоха, когато е имало голямо отрицателно налягане, тогава гравитацията неизбежно би причинила не привличане, а взаимно отблъскване на материалните частици. А това означава, че Вселената започна да се разширява бързо, експлозивно. Разбира се, моделът на инфлационната Вселена е само хипотеза: дори косвената проверка на нейните позиции изисква такива инструменти, които просто все още не са създадени в момента. Въпреки това идеята за ускорено разширяване на Вселената в най-ранния етап от нейната еволюция е твърдо установена в съвременната космология.

Говорейки за ранната Вселена, ние изведнъж се пренасяме от най-големите космически мащаби в района на микрокосмоса, който се описва от законите квантова механика. Физиката на елементарните частици и свръхвисоките енергии е тясно преплетена в космологията с физиката на гигантските астрономически системи. Най-големият и най-малкият се сливат тук един с друг. Това е удивителната красота на нашия свят, пълен с неочаквани взаимовръзки и дълбоко единство.

Проявите на живота на Земята са изключително разнообразни. Животът на Земята е представен от ядрени и доядрени, едноклетъчни и многоклетъчни същества; многоклетъчните от своя страна са представени от гъби, растения и животни. Всяко от тези царства обединява различни видове, класове, разреди, семейства, родове, видове, популации и индивиди.

В цялото привидно безкрайно разнообразие от живи същества могат да се разграничат няколко различни нива на организация на живите същества: молекулярно, клетъчно, тъканно, органно, онтогенетично, популационно, видово, биогеоценотично, биосферно. Изброените нива са подчертани за по-лесно изучаване. Ако се опитаме да идентифицираме основните нива, отразяващи не толкова нивата на изследване, колкото нивата на организация на живота на Земята, тогава основният критерий за такъв подбор трябва да се признае като наличието на специфични елементарни, дискретни структури и елементарни явления . С този подход се оказва необходимо и достатъчно да се отделят молекулярно-генетичното, онтогенетичното, популационно-видовото и биогеоценотичното нива (Н. В. Тимофеев-Ресовски и др.).

Молекулярно генетично ниво. При изучаването на това ниво очевидно е постигната най-голяма яснота в дефинирането на основните понятия, както и в идентифицирането на елементарни структури и явления. Развитието на хромозомната теория на наследствеността, анализът на мутационния процес и изследването на структурата на хромозомите, фагите и вирусите разкриват основните характеристики на организацията на елементарните генетични структури и свързаните с тях явления. Известно е, че основните структури на това ниво (кодове на наследствена информация, предавана от поколение на поколение) са ДНК, диференцирана по дължина на кодови елементи - триплети от азотни бази, които образуват гени.

Гените на това ниво на организация на живота представляват елементарни единици. Основните елементарни явления, свързани с гените, могат да се считат за техните локални структурни промени (мутации) и прехвърлянето на информация, съхранявана в тях, към вътреклетъчни контролни системи.

Ковариантната редупликация се осъществява съгласно принципа на матрицата чрез разкъсване на водородни връзки двойна спиралаДНК с участието на ензима ДНК полимераза. След това всяка от веригите изгражда съответна нишка за себе си, след което новите вериги се свързват комплементарно една с друга.Пиримидиновите и пуриновите бази на комплементарните вериги се свързват с водородна връзка една с друга чрез ДНК полимераза. Този процес е много бърз. По този начин самосглобяването на ДНК на Escherichia coli, което се състои от около 40 хиляди базови двойки, изисква само 100 s. Генетичната информация се пренася от ядрото чрез иРНК молекули в цитоплазмата към рибозомите и там участва в синтеза на протеини. Протеин, съдържащ хиляди аминокиселини, се синтезира в жива клетка за 5-6 минути, докато при бактериите това е по-бързо.

Основните системи за управление, както при конвариантната редупликация, така и при вътреклетъчния трансфер на информация, използват "матричния принцип", т.е. са матрици, до които са изградени съответните специфични макромолекули. В момента структурата, вградена в структурата, се дешифрира успешно. нуклеинова киселинакод, който служи като матрица при синтеза на специфични протеинови структури в клетките. Редупликацията, базирана на матрично копиране, запазва не само генетичната норма, но и отклоненията от нея, т.е. мутации (основата на еволюционния процес). Достатъчно точното познаване на молекулярно-генетичното ниво е необходима предпоставка за ясно разбиране на жизнените явления, протичащи на всички други нива на организация на живота.

Съдържанието на статията

РЕЛИКТНО ИЗЛЪЧВАНЕ,космическо електромагнитно лъчение, което идва към Земята от всички страни на небето с приблизително еднакъв интензитет и има спектър, характерен за лъчение на черно тяло при температура около 3 K (3 градуса по Целзий). абсолютен мащабКелвин, което съответства на -270 ° C). При тази температура основната част от радиацията пада върху радиовълните от сантиметровия и милиметровия диапазон. Енергийната плътност на реликтовото лъчение е 0,25 eV/cm 3 .

Експерименталните радиоастрономи предпочитат да наричат ​​това лъчение „космически микровълнов фон“ (CMB). Теоретичните астрофизици често го наричат ​​„реликтово лъчение“ (терминът е предложен от руския астрофизик И. С. Шкловски), тъй като в рамките на общоприетата днес теория за горещата Вселена това лъчение е възникнало на ранен етап от разширяването на нашето свят, когато субстанцията му е била практически хомогенна и много гореща. Понякога в научната и популярната литература можете да намерите и термина "тристепенна космическа радиация". По-нататък ще наричаме това лъчение „реликва“.

Откриването през 1965 г. на реликтовото лъчение е от голямо значение за космологията; стана един от големи постиженияестествените науки на 20 век. и определено най-важният за космологията след откриването на червеното отместване в спектрите на галактиките. Слабото реликтово излъчване ни носи информация за първите моменти от съществуването на нашата Вселена, за онази далечна епоха, когато цялата Вселена е била гореща и все още не е имало нито планети, нито звезди, нито галактики. Проведен в последните годиниподробни измервания на това излъчване с помощта на наземни, стратосферни и космически обсерватории повдигат завесата над мистерията на самото раждане на Вселената.

теория за горещата вселена.

През 1929 г. американският астроном Едуин Хъбъл (1889-1953) открива, че повечето галактики се отдалечават от нас и толкова по-бързо, колкото по-далеч е галактиката (закон на Хъбъл). Това се тълкува като общо разширяване на Вселената, започнало преди около 15 милиарда години. Възникна въпросът как е изглеждала Вселената в далечното минало, когато галактиките току-що са започнали да се отдалечават една от друга и дори по-рано. Макар че математически апарат, базиран на обща теорияТеорията на относителността на Айнщайн и описваща динамиката на Вселената е създадена през 20-те години на миналия век от Вилем де Ситер (1872–1934), Александър Фридман (1888–1925) и Жорж Льометр (1894–1966), около физическо състояниеНищо не е било известно на Вселената в ранната епоха на нейната еволюция. Дори не е имало сигурност, че е имало определен момент в историята на Вселената, който може да се счита за „началото на разширяването“.

развитие ядрена физикапрез 40-те години на миналия век позволи развитието на теоретични моделиеволюцията на Вселената в миналото, когато нейната субстанция е трябвало да бъде компресирана до висока плътностпри които са възможни ядрени реакции. Тези модели, на първо място, трябваше да обяснят състава на материята на Вселената, която по това време вече беше доста надеждно измерена от наблюдения на спектрите на звездите: средно те се състоят от 2/3 от водород и 1/3 от хелия, а всички останали химични елементи, взети заедно, съставляват не повече от 2%. Познаването на свойствата на вътрешноядрените частици - протони и неутрони - позволи да се изчислят варианти за началото на разширяването на Вселената, различаващи се в първоначалното съдържание на тези частици и температурата на веществото и излъчването, което е в термодинамично равновесие с него. Всеки от вариантите даде свой собствен състав на първоначалното вещество на Вселената.

Ако пропуснем подробностите, тогава има две принципно различни възможности за условията, при които е протекло началото на разширяването на Вселената: нейната субстанция може да бъде студена или гореща. Последствията от ядрените реакции са коренно различни един от друг. Въпреки че идеята за възможността за горещо минало на Вселената е изразена в ранните му творби от Льометр, исторически възможността за студено начало е разгледана за първи път през 30-те години на миналия век.

В първите предположения се смяташе, че цялата материя на Вселената първоначално е съществувала под формата на студени неутрони. По-късно се оказа, че подобно предположение противоречи на наблюденията. Факт е, че неутрон в свободно състояние се разпада средно 15 минути след възникването си, превръщайки се в протон, електрон и антинеутрино. В една разширяваща се вселена, получените протони ще започнат да се комбинират с останалите неутрони, образувайки ядрата на атомите на деутерия. Освен това верига от ядрени реакции ще доведе до образуването на ядра от атоми на хелий. По-сложни атомни ядра, както показват изчисленията, практически не възникват в този случай. В резултат цялата материя ще се превърне в хелий. Такова заключение е в рязко противоречие с наблюденията на звезди и междузвездна материя. Разпространението на химичните елементи в природата отхвърля хипотезата за началото на разширяването на материята под формата на студени неутрони.

През 1946 г. в САЩ "гореща" версия на началните етапи на разширението на Вселената е предложена от физика от руски произход Георги Гъмов (1904-1968). През 1948 г. е публикувана работата на неговите сътрудници Ралф Алфер и Робърт Херман, които разглеждат ядрени реакции в гореща материя в началото на космологичното разширение, за да се получи наблюдаваното в момента съотношение между броя на различните химични елементи и техните изотопи. В онези години желанието да се обясни произходът на всички химически елементи чрез техния синтез в първите моменти от еволюцията на материята беше естествено. Факт е, че тогава те погрешно са оценили времето, изминало от началото на разширяването на Вселената, само на 2–4 милиарда години. Това се дължи на надценената стойност на константата на Хъбъл, последвана през онези години от астрономически наблюдения.

Сравнявайки възрастта на Вселената от 2-4 милиарда години с предполагаемата възраст на Земята - около 4 милиарда години - беше необходимо да се приеме, че Земята, Слънцето и звездите са формирани от първична материя с готов химичен състав . Смята се, че този състав не се е променил по никакъв съществен начин, тъй като синтезът на елементи в звездите е бавен процес и не е имало време за осъществяването му преди формирането на Земята и други тела.

Последвалата ревизия на скалата на извънгалактическите разстояния доведе и до ревизия на възрастта на Вселената. Теорията за еволюцията на звездите успешно обяснява произхода на всички тежки елементи(по-тежки от хелия) чрез нуклеосинтезата им в звездите. Нямаше нужда да се обяснява произходът на всички елементи, включително тежките, на ранен етап от разширяването на Вселената. Същността на хипотезата за горещата вселена обаче се оказа вярна.

От друга страна, изобилието на хелий в звездите и междузвездния газ е около 30% от масата. Това е много повече, отколкото може да се обясни с ядрените реакции в звездите. Това означава, че хелият, за разлика от тежките елементи, трябва да се синтезира в началото на разширяването на Вселената, но при това - в ограничено количество.

Основната идея на теорията на Гамов е именно, че високата температура на материята предотвратява превръщането на цялата материя в хелий. В момента 0,1 секунди след началото на разширяването температурата е била около 30 милиарда K. В такова горещо вещество има много фотони с висока енергия. Плътността и енергията на фотоните са толкова високи, че светлината взаимодейства със светлината, което води до създаването на двойки електрон-позитрон. Анихилацията на двойки може от своя страна да доведе до производството на фотони, както и до производството на двойки неутрино и антинеутрино. В този "кипящ котел" е обикновена материя. При много високи температури не могат да съществуват сложни атомни ядра. Те ще бъдат незабавно разбити от околните енергийни частици. Следователно тежките частици материя съществуват под формата на неутрони и протони. Взаимодействията с енергийни частици карат неутроните и протоните бързо да се превръщат един в друг. Реакциите на комбиниране на неутрони с протони обаче не протичат, тъй като полученото деутериево ядро ​​веднага се разпада от частици с висока енергия. И така, поради високата температура в самото начало, веригата, водеща до образуването на хелий, се прекъсва.

Едва когато разширяването на Вселената се охлади под един милиард келвина, част от получения деутерий вече се съхранява и води до сливането на хелий. Изчисленията показват, че температурата и плътността на материята могат да се регулират така, че към този момент частта от неутрони в материята да е около 15% от теглото. Тези неутрони се комбинират със същия брой протони, за да образуват около 30% хелий. Останалите тежки частици останаха под формата на протони - ядрата на водородните атоми. Ядрени реакциикрай след първите пет минути след началото на разширяването на Вселената. В бъдеще, когато Вселената се разширява, температурата на нейната материя и излъчване намалява. От трудовете на Гамов, Алфер и Херман през 1948 г. следва: ако теорията за горещата Вселена предсказва появата на 30% хелий и 70% водород като основни химични елементи на природата, тогава съвременна вселенатрябва неизбежно да се запълни с остатък („реликва“) от първично горещо лъчение и съвременната температура на това реликтово лъчение трябва да бъде около 5 K.

Анализът на различните варианти на началото на космологичното разширение обаче не приключи с хипотезата на Гамов. В началото на 60-те години Я. Б. Зелдович направи гениален опит за връщане към студената версия, който предположи, че първоначалната студена материя се състои от протони, електрони и неутрино. Както показа Зелдович, такава смес се превръща в чист водород. Според тази хипотеза хелият и други химически елементи са били синтезирани по-късно, когато са се образували звездите. Имайте предвид, че по това време астрономите вече знаеха, че Вселената е няколко пъти по-стара от Земята и повечето от звездите около нас, а данните за изобилието на хелий в предзвездната материя все още бяха много несигурни през онези години.

Изглежда, че решаващ тестизборът между студен и горещ модел на Вселената може да бъде търсенето на космическо микровълново фоново лъчение. Но по някаква причина, в продължение на много години след предсказанието на Гамов и колегите му, никой съзнателно не се опита да открие това лъчение. Открит е съвсем случайно през 1965 г. от радиофизиците от американската компания "Бел" Р. Уилсън и А. Пензиас, удостоени с Нобелова награда през 1978 г.

По пътя към откриването на реликтовото лъчение.

В средата на 60-те години астрофизиците продължават да изучават теоретично горещия модел на Вселената. Изчисляването на очакваните характеристики на CMB е извършено през 1964 г. от А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков в СССР и независимо от Ф. Хойл и Р. Дж. Тейлър във Великобритания. Но тези произведения, подобно на по-ранната работа на Гамов и колегите му, не привлякоха внимание. Но те вече убедително показаха, че може да се наблюдава реликтово излъчване. Въпреки изключителната слабост на това лъчение в нашата ера, то за щастие се намира в тази област на електромагнитния спектър, където всички други космически източници като цяло излъчват още по-слабо. Следователно целенасоченото търсене на космическия микровълнов фон трябваше да доведе до откриването му, но радиоастрономите не знаеха за това.

Ето какво каза А. Пензиас в своята Нобелова лекция: „Първото публикувано признаване на космическия микровълнов фон като откриваем феномен в радиообхвата се появи през пролетта кратка статияА. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, озаглавен Средна плътнострадиация в Метагалактиката и някои въпроси на релативистката космология. Въпреки че през същата година, но малко по-късно, в известното списание Sovetska Fizika - Doklady се появи английски превод, статията очевидно не привлече вниманието на други специалисти в тази област. Тази забележителна статия не само показва спектъра на космическия микровълнов фон като черно тяло вълново явление, но също така ясно се фокусира върху двайсетфутовия рогов рефлектор на Bell Laboratory в Crawford Hill, като най-подходящия инструмент за откриването му! (цитирано от: Шаров А.С., Новиков И.Д. Човекът, който откри експлозията на Вселената: животът и работата на Едуин Хъбъл. М., 1989).

За съжаление тази статия остана незабелязана нито от теоретици, нито от наблюдатели; не стимулира търсенето на космическо микровълново фоново лъчение. Историците на науката все още се чудят защо в продължение на много години никой не се опитва съзнателно да търси радиация от горещата Вселена. Любопитно е, че покрай това откритие - едно от най-големите до 20 век. – учените минаха няколко пъти, без да го забележат.

Например, реликтовото лъчение може да бъде открито още през 1941 г. Тогава канадският астроном Е. Маккелар анализира абсорбционните линии, причинени в спектъра на звездата Зета Змиеносец от междузвездни молекули цианид. Той стигна до заключението, че тези линии във видимата област на спектъра могат да възникнат само когато светлината се абсорбира от въртящи се цианови молекули и тяхното въртене трябва да бъде възбудено от радиация с температура около 2,3 K. Разбира се, никой не би могъл да има тогава смяташе, че възбуждането на ротационните нива на тези молекули, причинено от реликтово излъчване. Едва след откриването му през 1965 г. бяха публикувани трудовете на И. С. Шкловски, Дж. Фийлд и други, в които беше показано, че възбуждането на въртенето на междузвездни цианови молекули, чиито линии ясно се наблюдават в спектрите на много звезди, се причинява именно от реликтово излъчване.

Още по-драматична история се разиграва в средата на 50-те години. Тогава младият учен Т. А. Шмаонов, под ръководството на известните съветски радиоастрономи С. Е. Хайкин и Н. Л. Кайдановски, измерва радиоизлъчването от космоса при дължина на вълната 32 см. Тези измервания са направени с помощта на рупорна антена, подобна на тази, използвана много години по-късно от Пензиас и Уилсън. Шманов внимателно проучи възможните смущения. Разбира се, по това време той не е имал на разположение толкова чувствителни приемници, каквито по-късно са имали американците. Резултатите от измерванията на Шмаонов са публикувани през 1957 г. в неговата докторска дисертация и в списанието „Устройства и експериментална техника“. Изводът от тези измервания беше следният: „Оказа се, че абсолютната стойност на ефективната температура на фоновото радиоизлъчване ... е равна на 4 ± 3 К.“ Шмаонов отбелязва независимостта на интензитета на излъчване от посоката в небето и от времето. Въпреки че грешките в измерването бяха големи и не е необходимо да се говори за достоверност на фигурата 4, сега ни е ясно, че Шмаонов измерва именно космическото микровълново фоново излъчване. За съжаление, нито той, нито други радиоастрономи не знаеха нищо за възможността за съществуване на космическо микровълново фоново лъчение и не придадоха нужното значение на тези измервания.

Най-накрая, около 1964 г., известният експериментален физик от Принстън (САЩ) Робърт Дике съзнателно подходи към този проблем. Въпреки че разсъжденията му се основават на теорията за "осцилираща" вселена, която многократно се разширява и свива, Дике ясно разбира необходимостта от търсене на CMB. По негова инициатива в началото на 1965 г. младият теоретик F. J. E. Peebles извършва необходимите изчисления, а P. G. Roll и D. T. Wilkinson започват да изграждат малка нискошумна антена на покрива на лабораторията Palmer Physics в Принстън. За търсене на фонова радиация не е необходимо да се използват големи радиотелескопи, тъй като радиацията идва от всички посоки. Нищо не се печели от факта, че голяма антена фокусира лъча върху по-малка част от небето. Но групата на Дике нямаше време да направи планираното откритие: когато оборудването им беше вече готово, те трябваше само да потвърдят откритието, случайно направено от други предишния ден.

Откриване на реликтово излъчване.

През 1960 г. в Crawford Hill, Holmdel (Ню Джърси, САЩ) е построена антена за приемане на радиосигнали, отразени от сателита с балон Echo. До 1963 г. тази антена вече не е необходима за работа със сателита и радиофизиците Робърт Удроу Уилсън (р. 1936 г.) и Арно Елан Пензиас (р. 1933 г.) от лабораторията на компанията Bell Telephone решават да я използват за радиоастрономия наблюдения. Антената беше 20-футов клаксон. Заедно с най-новото приемно устройство, този радиотелескоп беше по това време най-чувствителният инструмент в света за измерване на радиовълни, идващи от широки платформив небето. На първо място, трябваше да се измери радиоизлъчването междузвездна средана нашата Галактика при дължина на вълната 7,35 см. Арно Пензиас и Робърт Уилсън не знаеха за теорията за горещата Вселена и нямаше да търсят космическо микровълново фоново лъчение.

За да се измери точно радиоизлъчването на Галактиката, беше необходимо да се вземат предвид всички възможни смущения, причинени от радиацията на земната атмосфера и повърхността на Земята, както и смущенията, възникващи в антената, електрически веригии приемници. Предварителното тестване на приемната система показа малко повече шум от очакваното, но изглеждаше правдоподобно това да се дължи на лек излишък на шум в усилващите вериги. За да преодолеят тези проблеми, Пензиас и Уилсън използваха устройство, известно като "студено натоварване", при което сигналът, идващ от антената, се сравнява със сигнала от изкуствен източник, охладен с течен хелий при температура от около четири градуса по-горе абсолютна нула(4K). И в двата случая електрическият шум в усилващите вериги трябва да бъде еднакъв и следователно разликата, получена чрез сравнение, дава мощността на сигнала, идващ от антената. Този сигнал съдържа приноси само от антенното устройство, земната атмосфера и астрономическия източник на радиовълни, който влиза в зрителното поле на антената.

Пензиас и Уилсън очакваха разположението на антената да произвежда много малко електрически шум. Въпреки това, за да проверят това предположение, те започнаха наблюденията си при относително къси дължини на вълната от 7,35 cm, при които радиошумът от Галактиката трябва да е незначителен. Естествено, някакъв вид радиошум се очаква при такава дължина на вълната от земната атмосфера, но този шум трябва да има характерна зависимост от посоката: той трябва да бъде пропорционален на дебелината на атмосферата в посоката, в която гледа антената: a малко по-малко към зенита, малко повече към посоката на хоризонта. Очакваше се, че след изваждане на атмосферния термин от характерна зависимостот посоката няма да остане значителен сигнал от антената и това ще потвърди, че електрическият шум, произведен от антенното устройство, е незначителен. След това ще бъде възможно да започне изучаването на самата Галактика на големи дължини на вълните - около 21 см, където радиацията млечен пъте от съществено значение. (Имайте предвид, че радиовълните с дължини от сантиметри или дециметри, до 1 m, обикновено се наричат ​​„микровълнова радиация“. Това име е дадено, защото тези дължини на вълните са по-малки от ултракъсите вълни, използвани в радарите в началото на Втората световна война ..)

За тяхна изненада Пензиас и Уилсън откриват през пролетта на 1964 г., че улавят доста забележимо количество независещ от посоката микровълнов шум на 7,35 cm. Те открили, че този „статичен фон“ не се променя с времето на деня, а по-късно установили, че не зависи и от сезона. Следователно това не може да бъде излъчването на Галактиката, тъй като в този случай интензитетът му ще се променя в зависимост от това дали антената гледа по равнината на Млечния път или напречно. Освен това, ако това беше излъчването на нашата Галактика, тогава голямата спирална галактика M 31 в Андромеда, подобна в много отношения на нашата, също би трябвало да излъчва силно при дължина на вълната 7,35 cm, но това не беше наблюдавано. Липсата на каквато и да е промяна в наблюдавания микровълнов шум с посока силно предполага, че тези радиовълни, ако съществуват, не идват от Млечния път, а от много по-голям обем на Вселената.

За изследователите беше ясно, че трябва да тестват отново, за да видят дали самата антена може да произвежда повече електрически шум от очакваното. По-специално беше известно, че двойка гълъби гнездят в мундщука на антената. Те бяха заловени, изпратени до сайта на Бел във Випани, освободени, преоткрити няколко дни по-късно в позицията им в антената, отново заловени и накрая умиротворени с по-драстични средства. Въпреки това, докато наемаха помещението, гълъбите покриха вътрешността на антената с това, което Пензиас нарече „бяло диелектрично вещество“, което при стайна температура може да бъде източник на електрически шум. В началото на 1965 г. рогът на антената е демонтиран и цялата мръсотия е почистена, но това, както всички други трикове, дава много малко намаление на наблюдаваното ниво на шума.

Когато всички източници на смущения бяха внимателно анализирани и отчетени, Пензиас и Уилсън бяха принудени да заключат, че радиацията идва от космоса и от всички посоки с еднакъв интензитет. Оказа се, че пространството излъчва, сякаш е нагрято до температура от 3,5 келвина (по-точно, постигнатата точност ни позволи да заключим, че „температурата на космоса“ е от 2,5 до 4,5 келвина). Трябва да се отбележи, че това е много фин експериментален резултат: например, ако брикет от сладолед се постави пред клаксона на антената, тогава той ще свети в радиообхвата, 22 милиона пъти по-ярък от съответната част от небето. . Размишлявайки върху неочаквания резултат от своите наблюдения, Пензиас и Уилсън не бързаха да публикуват. Но събитията се развиха вече против тяхната воля.

Случи се така, че Пензиас се обади на приятеля си Бърнард Бърк от Масачузетс по съвсем друг повод. Технологичен институт. Малко преди това Бърк чул от колегата си Кен Тсрнър от института Карнеги за лекция, която е чул в Джон Хопкинс от теоретика от Принстън Фил Пийбълслем, който е работил под ръководството на Робърт Дике. В този разговор Пийбълс твърди, че трябва да има фонов радио шум, останал от ранната вселена, който сега има еквивалентна температура от около 10 K.

Пензиас се обади на Дике и двата изследователски екипа се срещнаха. На Робърт Дике и неговите колеги Ф. Пийбълс, П. Рол и Д. Уилкинсън става ясно, че А. Пензиас и Р. Уилсън откриват космическото микровълново фоново лъчение от горещата Вселена. Учените решиха да публикуват едновременно две писма в престижния Astrophysical Journal. През лятото на 1965 г. са публикувани и двете работи: от Пензиас и Уилсън за откриването на космическото микровълново фоново лъчение и от Дике и колеги с неговото обяснение, използващо теорията за горещата Вселена. Очевидно не напълно убедени в космологичната интерпретация на своето откритие, Пензиас и Уилсън дадоха скромно заглавие на своята бележка: Измерване на прекомерна температура на антената при 4080 MHz. Те просто обявиха, че "измерванията на ефективната зенитна шумова температура ... дадоха стойност с 3,5 K по-висока от очакваната" и избегнаха всякакво споменаване на космологията, с изключение на фразата, че "възможно обяснение за наблюдаваната излишна шумова температура е дадено от Дике, Пийбълс, Рол и Уилкинсън в придружително писмо в същия брой на списанието.

През следващите години бяха направени множество измервания на различни дължини на вълните от десетки сантиметри до части от милиметъра. Наблюденията показват, че спектърът на CMB отговаря на формулата на Планк, както трябва да бъде за излъчване с определена температура. Беше потвърдено, че тази температура е приблизително 3 K. Беше направено прекрасно откритие, което доказва, че Вселената е била гореща в началото на разширяването.

Такова е сложното преплитане на събития, което завърши с откриването на горещата Вселена от Пензиас и Уилсън през 1965 г. Установяването на факта за свръхвисока температура в началото на разширяването на Вселената беше отправната точка големи изследвания, което води до разкриването не само на астрофизични тайни, но и на тайните на структурата на материята.

Най-точните измервания на космическото микровълново фоново лъчение са извършени от космоса: това са експериментът Relikt на съветския сателит Prognoz-9 (1983–1984) и експериментът DMR (Диференциален микровълнов радиометър) на американския спътник COBE (Космически фон). Explorer, ноември 1989–1993 г.), което позволи най-точно да се определи температурата на реликтовото излъчване: 2,725 ± 0,002 K.

Микровълнов фон като "нов етер".

И така, спектърът на реликтовото излъчване с много висока прецизностсъответства на излъчване на черно тяло (т.е. описано от формулата на Планк) с температура T = 2,73 K. Въпреки това, има малки (около 0,1%) отклонения от тази средна температура, в зависимост от посоката на измерването в небето. Факт е, че реликтовото излъчване е изотропно само в координатната система, свързана с цялата система от отдалечаващи се галактики, в така наречената „съпътстваща референтна система“, която се разширява заедно с Вселената. Във всяка друга координатна система интензитетът на излъчване зависи от посоката. На първо място, това се дължи на движението на измервателния уред спрямо космическия микровълнов фон: ефектът на Доплер води до "посиняване" на летящите към устройството фотони и до "почервеняване" на фотоните, които го настигат.

В този случай измерената температура в сравнение със средната (T 0) зависи от посоката на движение: T \u003d T 0 (1 + (v / c) cos аз), където v е скоростта на устройството в координатната система, свързана с фоновото излъчване; c е скоростта на светлината, азе ъгълът между вектора на скоростта и посоката на наблюдение. На фона на равномерно разпределение на температурата се появяват два "полюса" - топъл по посока на движението и хладен в обратна посока. Следователно такова отклонение от равномерността се нарича "дипол". Диполният компонент в разпределението на реликтовото лъчение е открит по време на наземни наблюдения: в посока на съзвездието Лъв температурата на това лъчение се оказа с 3,5 mK по-висока от средната, а в обратната посока (съзвездието на Водолей) със същата сума под средното. Следователно ние се движим спрямо радиационния фон със скорост около 400 km/s. Точността на измерване се оказа толкова висока, че бяха открити дори годишни вариации на диполния компонент, причинени от въртенето на Земята около Слънцето със скорост 30 km/s.

Измервания с изкуствени спътнициЗемята значително прецизира тези данни. Според данните на COBE, след като се вземе предвид орбиталното движение на Земята, се оказва, че Слънчевата система се движи по такъв начин, че амплитудата на диполния компонент на температурата на CMB е D T = 3,35 mK; това съответства на скоростта на движение V = 366 km/s. Слънцето се движи спрямо радиацията по посока на границата на съзвездията Лъв и Чаша, до точката с екваториални координати a = 11 h 12 m и d = –7.1° (епоха J2000); което съответства на галактическите координати l = 264,26° и b = 48,22°. Отчитането на движението на самото Слънце в Галактиката показва, че спрямо всички галактики в Местната група Слънцето се движи със скорост 316 ± 5 km/s в посока л 0 = 93 ± 2° и b 0 = –4 ± 2° . Следователно движението на самата Местна група спрямо космическия микровълнов фон става със скорост 635 km/s в посока около л= 269° и b= +29°. Това е приблизително под ъгъл от 45° спрямо посоката към центъра на купа галактики в Дева (Дева).

Изследването на движенията на галактиките в още по-голям мащаб показва, че колекцията от близки клъстери от галактики (119 клъстера от каталога на Абел в рамките на 200 Mpc от нас) се движи като цяло спрямо CMB със скорост от около 700 km/s. По този начин нашият квартал на Вселената се носи в морето от космическо микровълново фоново лъчение със забележима скорост. Астрофизиците многократно са обръщали внимание на факта, че самият факт на съществуването на реликтовото излъчване и свързаната с него избрана референтна система отрежда на това излъчване ролята на „нов етер“. Но в това няма нищо мистично: всичко физически измерванияв тази референтна система са еквивалентни на измерванията във всяка друга инерционна системасправка. (Обсъждането на проблема за "новия етер" във връзка с принципа на Мах може да се намери в книгата: Zel'dovich Ya.B., Novikov I.D. Устройство и еволюция на Вселената.М., 1975).

Анизотропия на реликтовото лъчение.

Температурата на CMB е само един от неговите параметри, които описват ранната Вселена. В свойствата на това излъчване има други очевидни следи от много ранна ераеволюция на нашия свят. Астрофизиците откриват тези следи, като анализират спектъра и пространствената нехомогенност (анизотропия) на CMB.

Според теорията за горещата Вселена, след около 300 хиляди години след началото на разширяването, температурата на материята и свързаната с нея радиация намаляват до 4000 K. При тази температура фотоните вече не могат да йонизират водородни и хелиеви атоми. Следователно, в тази епоха, съответстваща на червеното отместване z = 1400, се случи рекомбинация на гореща плазма, в резултат на което плазмата се превърна в неутрален газ. Разбира се, тогава не е имало галактики и звезди. Те са възникнали много по-късно.

След като стана неутрален, газът, изпълващ Вселената, се оказа практически прозрачен за реликтовото лъчение (въпреки че в онази епоха това не бяха радиовълни, а светлина във видимия и близкия инфрачервен диапазон). Следователно древното излъчване достига до нас почти безпрепятствено от дълбините на пространството и времето. Но все пак, по пътя, той изпитва някои влияния и то как археологически сайтноси следи от исторически събития.

Например, по време на епохата на рекомбинация, атомите излъчват много фотони с енергия от порядъка на 10 eV, което е десетки пъти по-високо от средна енергияфотони на равновесното лъчение от онази епоха (при T = 4000 K има много малко такива енергийни фотони, около една милиардна от техните общ брой). Следователно, рекомбинантното лъчение би трябвало силно да изкриви спектъра на Планк на космическото микровълново фоново лъчение в диапазона на дължина на вълната от около 250 μm. Вярно е, че изчисленията показват, че силното взаимодействие на радиацията с материята ще доведе до факта, че освободената енергия ще се „разпръсне“ главно в широка област от спектъра и няма да го изкриви много, но бъдещи точни измервания ще могат да забележат това изкривяване също.

И много по-късно, в ерата на формирането на галактиките и първото поколение звезди (при z ~ 10), когато огромна маса от вече почти охладена материя отново претърпя значително нагряване, CMB спектърът може да се промени отново, защото, разпръсквайки се върху горещи електрони, нискоенергийните фотони увеличават енергията си (т.нар. "обратен ефект на Комптън"). И двата ефекта, описани по-горе, изкривяват спектъра на космическото микровълново фоново лъчение в неговата късовълнова област, която досега е най-малко проучена.

Въпреки че в нашата епоха повечето отобикновената материя е плътно опакована в звездите и тези в галактиките, въпреки това, дори близо до нас, космическото микровълново фоново лъчение може да претърпи забележимо изкривяване на спектъра, ако лъчите му преминат през голям клъстер от галактики по пътя им към Земята. Обикновено такива клъстери са пълни с разреден, но много горещ междугалактически газ с температура от около 100 милиона K. Разпръсквайки се върху бързите електрони на този газ, нискоенергийните фотони увеличават енергията си (все още същия обратен ефект на Комптън) и преминават от нискочестотната, Rayleigh-Jeans област на спектъра във високочестотната, виновна област. Този ефект е предсказан от Р. А. Суняев и Я. Б. Зелдович и открит от радиоастрономи в посока на много клъстери от галактики под формата на намаляване на радиационната температура в областта на Релей-Джинс на спектъра с 1–3 mK . Сред ефектите, които създават анизотропията на реликтовото излъчване, е първият открит ефектът Суняев-Зелдович. Сравнението на неговата величина с рентгеновата светимост на галактическите клъстери направи възможно независимото определяне на константата на Хъбъл (H = 60 ± 12 km/s/Mpc).

Да се ​​върнем към ерата на рекомбинацията. На възраст по-малка от 300 000 години Вселената беше почти хомогенна плазма, трепереща от звукови или по-скоро от инфразвукови вълни. Изчисленията на космолозите казват, че тези вълни на компресия и разширяване на материята също генерират флуктуации в плътността на излъчване в непрозрачна плазма и следователно сега те трябва да бъдат открити като леко забележима „вълничка“ в почти еднородно космическо микровълново фоново излъчване. Следователно днес той трябва да дойде на Земята от различни посоки с малко различна интензивност. В този случай не говорим за тривиална диполна анизотропия, причинена от движението на наблюдателя, а за вариации на интензитета, които всъщност са присъщи на самото излъчване. Тяхната амплитуда трябва да бъде изключително малка: приблизително една стохилядна от самата температура на излъчване, т.е. около 0,00003 K. Те са много трудни за измерване. Първите опити за определяне на големината на тези малки колебания в зависимост от посоката в небето бяха направени веднага след откриването на самото реликтово излъчване през 1965 г. По-късно те не спряха, но откритието се случи едва през 1992 г. с помощта на оборудване, изнесено извън Земята. У нас такива измервания са извършени в експеримента Relikt, но тези малки колебания са по-уверено регистрирани от американския спътник COBE (фиг. 1).

Наскоро бяха проведени и планирани много експерименти за измерване на амплитудата на флуктуациите на космическото микровълново фоново излъчване в различни ъглови скали, от градуси до дъгови секунди. различни физични явления, възникнали в първите моменти от живота на Вселената, би трябвало да оставят своя характерен отпечатък в идващата към нас радиация. Теорията предвижда определена връзка между размерите на студените и горещите точки в интензитета на CMB и тяхната относителна яркост. Зависимостта е много своеобразна: съдържа информация за процесите на раждането на Вселената, за случилото се веднага след раждането, както и за параметрите на днешната Вселена.

Ъгловата разделителна способност на първите наблюдения - в експериментите Relict-2 и COBE - беше много лоша, около 7°, така че информацията за флуктуациите на CMB беше непълна. През следващите години същите наблюдения са извършени както с помощта на наземни радиотелескопи (у нас за тази цел се използва инструментът РАТАН-600 с незапълнена апертура с диаметър 600 m), така и радиотелескопи, които се изкачват балонив горните слоеве на атмосферата.

Основна стъпка в изследването на анизотропията на космическото микровълново фоново лъчение беше експериментът Бумеранг (BOOMERANG), извършен от учени от САЩ, Канада, Италия, Англия и Франция с помощта на безпилотен балон на НАСА (САЩ) с обем 1 милион кубични метра, които от 29 декември 1998 г. до 9 януари 1999 г. направиха кръг на височина 37 км около Южния полюс и след като прелетяха около 10 хиляди км, пуснаха гондолата с инструменти на парашут на 50 км от мястото за изстрелване. Наблюденията са извършени със субмилиметров телескоп с главно огледало с диаметър 1,2 m, в чийто фокус е система от охладени до 0,28 K болометри, които измерват фона в четири честотни канала (90, 150, 240 и 400). GHz) с ъглова разделителна способност от 0,2–0,3 градуса. По време на полета наблюденията обхванаха около 3% небесна сфера.

Температурните нееднородности на реликтовото излъчване с характерна амплитуда 0,0001 К, регистрирани в експеримента Бумеранг, потвърдиха правилността на „акустичния“ модел и показаха, че четириизмерната пространствено-времева геометрия на Вселената може да се счита за плоска. Получената информация също позволи да се прецени съставът на Вселената: беше потвърдено, че обикновената барионна материя, от която се състоят звездите, планетите и междузвездният газ, съставлява само около 4% от масата; а останалите 96% се съдържат във все още неизвестни форми на материя.

Експериментът Boomerang беше идеално допълнен от подобен експеримент MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), проведен главно от учени в САЩ и Италия. Тяхното оборудване, което летя в стратосферата през август 1998 г. и юни 1999 г., изследва по-малко от 1% от небесната сфера, но с висока ъглова разделителна способност: около 5". Балонът извършва нощни полети над континенталните Съединени щати. Главното огледало на телескопа имаше диаметър 1,3 м. Приемащата част на апарата се състоеше от 16 детектора, покриващи 3 честотни диапазона, вторичните огледала бяха охладени до криогенни температури, а болометрите дори ниска температурабеше възможно да се поддържат до 40 часа, което ограничаваше продължителността на полета.

Експериментът MAXIMA разкри малка "вълничка" в ъгловото разпределение на температурата на CMB. Неговите данни бяха допълнени от наблюдения от наземна обсерватория, използваща интерферометър DASI (Degree Angular Scale Interferometer), инсталиран от радиоастрономи в Чикагския университет (САЩ) на Южен полюс. Този 13-елементен криогенен интерферометър, наблюдаван в десет честотни канала в диапазона 26-36 GHz и разкри още по-малки флуктуации в CMB, а зависимостта на тяхната амплитуда от ъгловия размер добре потвърждава теорията за акустичните трептения, наследени от младата Вселена .

Освен измервания на интензитета на реликтовото излъчване от повърхността на Земята са предвидени и космически експерименти. През 2007 г. се планира изстрелването на радиотелескопа Планк (Европейската космическа агенция) в космоса. Ъгловата му разделителна способност ще бъде значително по-висока, а чувствителността му около 30 пъти по-добра, отколкото в експеримента COBE. Затова астрофизиците се надяват, че много факти за началото на съществуването на нашата Вселена ще бъдат изяснени (виж фиг. 1).

Владимир Сурдин

Литература:

Зелдович Я.Б., Новиков И.Д. Устройството и еволюцията на Вселената. М., 1975
Космология: теория и наблюдения. М., 1978
Вайнберг С. Първите три минути. Модерен възглед за произхода на Вселената. М., 1981
Силк Дж. Голям взрив. Раждане и еволюция на Вселената. М., 1982
Суняев Р.А. Микровълново фоново лъчение. – В кн.: Космическа физика: Малка енциклопедия. М., 1986
Долгов А.Д., Зелдович Я.Б., Сажин М.В. Космология на ранната вселена. М., 1988
Новиков И.Д. Еволюция на Вселената. М., 1990