Reliktna svjetlost. Koliko je korisno kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje? Reliktno zračenje govori o homogenosti univerzuma

Jedan od zanimljiva otkrića povezan sa elektromagnetnim spektrom je kosmičko pozadinsko zračenje. Otkriven je slučajno, iako se predviđala mogućnost njegovog postojanja.

Istorija otkrića reliktnog zračenja

Istorija otkrića reliktnog zračenja započeo 1964. Američko laboratorijsko osoblje Bell Phone razvio komunikacioni sistem koristeći veštački Zemljin satelit. Ovaj sistem je trebalo da radi na talasima dužine 7,5 centimetara. Ovakvi kratki talasi u odnosu na satelitske radio komunikacije imaju neke prednosti, ali do Arno Penzias i Robert Wilson niko nije resio ovaj problem.

Oni su bili pioniri u ovoj oblasti i morali su da se uvere da nema jakih smetnji na istoj talasnoj dužini, ili da su radnici komunikacija unapred znali za takve smetnje. U to vrijeme se vjerovalo da samo točkasti predmeti poput radio galaksije ili zvijezde.

Izvori radio talasa

Naučnici su imali na raspolaganju izuzetno precizan prijemnik i rotirajuću rog antenu. Uz njihovu pomoć, naučnici su mogli da slušaju sve nebeski svod slično kao što doktor sluša pacijentova grudi stetoskopom.

Prirodni izvor signala

I čim je antena bila uperena u jednu od tačaka neba, na ekranu osciloskopa zaigra zakrivljena linija. Tipično signal prirodni izvor . Vjerovatno su stručnjaci bili iznenađeni svojom srećom: već na prvoj izmjerenoj tački - izvor radio-emisije!

Ali gdje god su usmjerili svoju antenu, efekat je ostao isti. Naučnici su iznova provjeravali ispravnost opreme, ali je bila unutra u savršenom redu. I konačno, shvatili su da su otkrili do tada nepoznati fenomen prirode: ceo univerzum je, takoreći, bio ispunjen radio talasima dužine centimetar.

Kad bismo mogli vidjeti radio valove, nebeski svod bi nam se činio blistavim od ruba do ruba.

Penziasovo i Vilsonovo otkriće je objavljeno. I ne samo oni, već i naučnici iz mnogih drugih zemalja počeli su da tragaju za izvorima misterioznih radio talasa koje hvataju sve antene i prijemnici prilagođeni za ovu svrhu, gde god da se nalaze i na koju tačku neba ciljali, i intenzitet radio-emisije na talasnoj dužini od 7,5 centimetara u bilo kojoj tački bio je potpuno isti, činilo se da je ravnomerno raspoređen po nebu.

CMB zračenje koje su izračunali naučnici

Sovjetski naučnici A. G. Doroshkevich i I. D. Novikov, koji su predvideli pozadinsko zračenje prije njegovog otvaranja napravio najteže proračune.. Uzeli su u obzir sve izvore zračenja koji su dostupni u našem Univerzumu i uzeli u obzir kako se zračenje određenih objekata mijenjalo tokom vremena. I ispostavilo se da su u području centimetarskih talasa sva ta zračenja minimalna i stoga ni na koji način nisu odgovorna za detektovani sjaj neba.

U međuvremenu, dalji proračuni su pokazali da je gustina razmazanog zračenja veoma velika. Evo poređenja fotonskog želea (kako su naučnici nazvali misteriozno zračenje) sa masom sve materije u svemiru.

Ako se sva materija svih vidljivih Galaksija ravnomjerno "razmaže" po čitavom prostoru Univerzuma, tada će postojati samo jedan atom vodika na tri kubna metra prostora (radi jednostavnosti, svu materiju zvijezda ćemo smatrati vodonikom) . Istovremeno, svaki kubni centimetar stvarnog prostora sadrži oko 500 fotona zračenja.

Mnogo, čak i ako uporedimo ne broj jedinica materije i zračenja, već direktno njihove mase. Odakle tako intenzivna radijacija?

Svojevremeno je sovjetski naučnik A. A. Fridman, rješavajući poznate Ajnštajnove jednačine, otkrio da naš univerzum je u stalnoj ekspanziji. Ubrzo je pronađena potvrda za to.

Amerikanac E. Hubble otkrio recesija galaksija. Ekstrapolirajući ovu pojavu u prošlost, može se izračunati trenutak kada je sva materija Univerzuma bila u vrlo maloj zapremini, a njena gustina bila neuporedivo veća nego sada. U toku širenja Univerzuma, produženje talasne dužine svakog kvanta se takođe dešava proporcionalno širenju Univerzuma; u ovom slučaju, kvant se, takoreći, "hladi" - uostalom, što je kraća talasna dužina
kvanta, to je "vrući".

Današnje centimetarsko zračenje ima temperaturu sjaja od oko 3 stepena Kelvina apsolutnog. A prije deset milijardi godina, kada je Univerzum bio neuporedivo manji, a gustina njegove materije bila veoma velika, ti kvanti su imali temperaturu od oko 10 milijardi stepeni.

Od tada je naš Univerzum „ispunjen“ kvantima radijacije koja se neprekidno hladi. Zbog toga je centimetarska radio-emisija "razmazana" po Univerzumu dobila ime
reliktnog zračenja.

relikvije, kao što znate, nazivaju se ostaci najstarijih životinja i biljaka koji su preživjeli do danas. Centimetarski kvanti zračenja su daleko najstariji od svih mogućih relikvija. Uostalom, njihovo formiranje pripada eri koja je od nas udaljena oko 15 milijardi godina.

Znanje o svemiru donijelo je kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje

Gotovo se ništa ne može reći o tome kakva je materija bila u trenutku nula, kada je njena gustina bila beskonačno velika. Ali pojave i procesi koji su se odigrali u Univerzum, samo sekundu nakon njenog rođenja, pa čak i ranije, do 10 ~ 8 sekundi, naučnici već dosta dobro razumiju. Informaciju o tome donio je pozadinsko zračenje.

Dakle, prošla je sekunda od nultog trenutka. Materija našeg Univerzuma imala je temperaturu od 10 milijardi stepeni i sastojala se od vrste "kaše" reliktni kvanti, elektrode, pozitroni, neutrini i antineutrini. Gustina "kaše" bila je ogromna - više od tone za svaku kubni centimetar. U takvoj "skučenosti" neprekidno su se dešavali sudari neutrona i pozitrona sa elektronima, protoni su se pretvarali u neutrone i obrnuto.

Ali najviše je ovdje bilo kvanta - 100 miliona puta više od neutrona i protona. Naravno, pri takvoj gustini i temperaturi, nikakva složena jezgra materije ne bi mogla postojati: ona se ovdje nisu raspala.

Prošlo je sto sekundi. Širenje svemira se nastavilo, njegova gustina se kontinuirano smanjivala, temperatura je padala. Pozitroni su skoro nestali, neutroni su se pretvorili u protone.

Počelo je formiranje atomskih jezgara vodika i helijuma. Proračuni koje su izvršili naučnici pokazuju da se 30 posto neutrona udružilo u jezgra helijuma, dok je 70 posto njih ostalo samo, postajući jezgra vodonika. U toku ovih reakcija nastali su novi kvanti, ali se njihov broj više nije mogao porediti sa originalnim, pa možemo pretpostaviti da se uopšte nije promenio.

Širenje svemira se nastavilo. Gustoća "kaše", tako strmo skuvane po prirodi na početku, opadala je proporcionalno kocki linearne udaljenosti. Prolazile su godine, vekovi, milenijumi.

Prošlo je 3 miliona godina. Temperatura "kaše" do tog trenutka je pala na 3-4 hiljade stepeni, gustina supstance se takođe približila onoj danas poznatoj, međutim, ugrušci materije iz kojih bi se mogle formirati zvezde i galaksije još nisu mogle nastati. U to vrijeme, radijacijski pritisak je bio preveliki, gurajući svaku takvu formaciju. Čak su i atomi helijuma i vodonika ostali jonizovani: elektroni su postojali odvojeno, protoni i atomska jezgra - takođe odvojeno.

Tek pred kraj tromilionskog perioda počela su se javljati prva zadebljanja u rashladnoj "kaši". U početku ih je bilo vrlo malo. Čim se hiljaditi deo "kaše" kondenzovao u neobične protozvezde, ove formacije su počele da "gore" slično kao moderne zvezde.

A fotoni i kvanti energije koje su emitovali zagrijali su "kašu" koja se počela hladiti do temperatura na kojima se ponovo pokazalo da je stvaranje novih kondenzacija nemoguće.

Smjenjivali su se periodi hlađenja i ponovnog zagrijavanja "kaše" izljevima protozvijezda, smjenjujući jedni druge. A u nekoj fazi širenja Univerzuma, formiranje novih nakupina postalo je praktično nemoguće, makar samo zato što je nekada tako gusta "kaša" bila previše "razređena".

Otprilike 5 posto materije uspjelo se ujediniti, a 95 posto rasuti u prostoru svemira koji se širi. Tako su se "raspršili" i nekada vrući kvanti, koji su formirali reliktnu radijaciju. Tako su se raspršila jezgra atoma vodonika i helijuma, koja su bila dio "kaše".

Hipoteza o formiranju svemira

Planetarni sistemi formirani oko nekih od ovih zvijezda, barem na jednoj od ovih planeta, nastao je život, koji je tokom evolucije doveo do inteligencije. Koliko često se zvijezde nalaze u prostranstvu svemira, okružene plesom planeta, naučnici još ne znaju. Niti mogu ništa reći o tome koliko često.

A pitanje koliko često biljka života procvjeta u bujni cvijet uma ostaje otvoreno. Nama danas poznate hipoteze koje tretiraju sva ova pitanja više su kao nepotkrijepljena nagađanja.

Ali danas se nauka razvija poput lavine. U skorije vreme, naučnici nisu imali pojma kako je počelo naše. Reliktno zračenje, otkriveno prije oko 70 godina, omogućilo je da se nacrta ta slika. Danas čovječanstvu nedostaju činjenice na osnovu kojih bi moglo odgovoriti na gore formulirana pitanja.

Prodor u svemir, posjete Mjesecu i drugim planetama, donose nove činjenice. A činjenice više ne prate hipoteze, već strogi zaključci.

Reliktno zračenje govori o homogenosti univerzuma

Šta su još relikt zraci, ovi svedoci rođenja našeg Univerzuma, rekli naučnicima?

A. A. Fridman je riješio jednu od jednačina koje je dao Ajnštajn i na osnovu ovog rješenja otkrio širenje Univerzuma. Da bi se riješile Ajnštajnove jednačine, bilo je potrebno postaviti tzv. početne uslove.

Friedman je pošao od pretpostavke da Univerzum je homogen i izotropna, što znači da je materija u njoj ravnomjerno raspoređena. I tokom 5-10 godina koliko je prošlo od otkrića Friedmana, ostalo je otvoreno pitanje da li je ova pretpostavka tačna.

Sada je u suštini uklonjen. O izotropiji Univerzuma svjedoči zadivljujuća uniformnost reliktne radio emisije. O istom svedoči i druga činjenica - raspodela materije Univerzuma između Galaksija i međugalaktičkog gasa.

Uostalom, međugalaktički plin, koji čini glavni dio materije Univerzuma, raspoređen je po njemu jednako kao i reliktni kvanti..

Otkriće reliktnog zračenja omogućava zavirivanje ne samo u ultra-daleku prošlost - izvan onih vremenskih granica kada nije bilo ni naše Zemlje, ni našeg Sunca, ni naše Galaksije, pa čak ni samog Univerzuma.

Poput nevjerovatnog teleskopa koji se može usmjeriti u bilo kojem smjeru, otkriće kosmičke mikrovalne pozadine omogućava vam da pogledate u ultra-daleku budućnost. Tako ultra-daleko, kada neće biti Zemlje, Sunca, Galaksije.

Tu će pomoći fenomen širenja Univerzuma, jer se zvijezde koje ga čine, Galaksije, oblaci prašine i plina raspršuju u svemiru. Da li je ovaj proces vječan? Ili će se ekspanzija usporiti, zaustaviti, a zatim će biti zamijenjena kompresijom? I nisu li uzastopne kontrakcije i ekspanzije Univerzuma neka vrsta pulsiranja materije, neuništive
i vjecno?

Odgovor na ova pitanja prvenstveno zavisi od toga koliko je materije sadržano u svemiru. Ako je njegova opća gravitacija dovoljna da savlada inerciju širenja, tada će širenje neizbježno biti zamijenjeno kontrakcijom, u kojoj će se Galaksije postepeno približavati jedna drugoj. Pa, ako sile gravitacije nisu dovoljne da uspore i savladaju inerciju širenja, naš Univerzum je osuđen na propast: raspršit će se u svemiru!

CMB zračenje-kosmičko elektromagnetno zračenje sa visokim stepenom izotropije i sa spektrom karakterističnim za crno telo sa temperaturom? 2.725 K. CMB zračenje su predvideli G. Gamow, R. Alfer i R. Herman 1948. godine na osnovu prve teorije Velikog praska koju su stvorili. Alfer i Herman su uspjeli ustanoviti da bi temperatura kosmičke mikrovalne pozadine trebala biti 5 K, a Gamow je dao predviđanje u 3 K. Iako su neke procjene temperature prostora postojale i prije toga, one su imale nekoliko nedostataka. Prvo, to su bila mjerenja samo efektivne temperature prostora, nije se pretpostavljalo da se spektar zračenja povinuje Plankovom zakonu. Drugo, zavisili su od naše posebne lokacije na rubu Galaksije i nisu pretpostavljali da je zračenje izotropno. Štaviše, dali bi potpuno drugačije rezultate da je Zemlja negdje drugdje u svemiru. Ni sam G. Gamow, niti mnogi njegovi sljedbenici nisu postavljali pitanje eksperimentalne detekcije reliktnog zračenja. Očigledno su vjerovali da se ovo zračenje ne može detektirati, jer ono "tone" u energetskim tokovima koje na Zemlju donose zračenje zvijezda i kosmičkih zraka.

Mogućnost detekcije reliktnog zračenja na pozadini zračenja galaksija i zvijezda u području centimetarskih radio valova potkrijepljena je proračunima A.G. Doroškevič i I.D. Novikov, izrađen na prijedlog Ya.B. Zeldovich 1964. godine, tj. godinu dana prije otkrića A. Pepziasa i R. Wilsona.

Godine 1965. Arno Penzias i Robert Woodrow Wilson su napravili Dicke radiometar, koji su namjeravali koristiti ne za CMB pretraživanja, već za eksperimente u radio astronomiji i satelitskim komunikacijama. Prilikom kalibracije uređaja pokazalo se da antena ima temperaturu viška od 3,5 Kšto nisu mogli da objasne. Mala pozadina buke se nije promijenila ni iz smjera ni iz vremena rada. U početku su odlučili da je to buka svojstvena opremi. Radio teleskop je demontiran, a njegovo "punjenje" je testirano iznova i iznova. Povrijeđen je ponos inženjera, pa je provjera išla do posljednjeg detalja, do posljednjeg lemljenja. Eliminisao sve. Opet okupljeni - buka se nastavila. Nakon dugog razmišljanja, teoretičari su došli do zaključka da ovo zračenje ne može biti ništa drugo do stalna pozadina kosmičke radio-emisije koja ispunjava Univerzum ravnomjernim tokom. Nakon što je primio poziv od Holdmdalea, Dicke je dosjeo, "Pogodili smo džekpot, momci." Sastanak između grupa Princeton i Holmdale utvrdio je da je ova temperatura antene uzrokovana CMB. Astrofizičari su izračunali da buka odgovara temperaturi od oko 3 stepena Kelvina i „čuje se na različitim frekvencijama. Penzias i Wilson su 1978. dobili Nobelovu nagradu za svoje otkriće. Može se zamisliti koliko su se pristalice "vrućeg" modela obradovale kada je stigla ova poruka. Ovo otkriće nije samo ojačalo poziciju "vrućeg" modela. Reliktno zračenje omogućilo je spuštanje sa vremenskog koraka kvazara (8-10 milijardi godina) na korak koji odgovara 300 hiljada godina od samog "početka". Istovremeno, potvrđena je ideja da je Univerzum nekada imao gustinu milijardu puta veću nego što je sada. Poznato je da zagrijana supstanca uvijek emituje fotone. Prema općim zakonima termodinamike, to manifestira želju za ravnotežnim stanjem u kojem se postiže zasićenje: rađanje novih fotona kompenzira se obrnutim procesom, apsorpcijom fotona materijom, tako da ukupan broj fotona u medijum se ne menja. Ovaj "fotonski gas" ravnomerno ispunjava ceo univerzum. Temperatura fotonskog plina je blizu apsolutne nule - oko 3 kelvina, ali energija sadržana u njemu veća je od svjetlosne energije koju emituju sve zvijezde tokom svog života. Za svaki kubni centimetar prostora u Univerzumu postoji otprilike pet stotina kvanta zračenja, a ukupan broj fotona u vidljivom Univerzumu je nekoliko milijardi puta veći. puni brojčestice materije, tj. atomi, jezgra, elektroni koji čine planete, zvijezde i galaksije. Ovo opšte pozadinsko zračenje univerzuma se zove laka ruka I.S. Šklovski, relikvija, tj. ostatak, koji je ostatak, relikt gustog i vrućeg početno stanje Univerzum. Pod pretpostavkom da supstanca rani univerzum bila vruća, G. Gamow je predvidio da bi fotoni, koji su tada bili u termodinamičkoj ravnoteži sa materijom, trebali biti sačuvani u moderno doba. Ovi fotoni su direktno detektovani 1965. godine. Pošto je doživeo opšte širenje i hlađenje povezano s tim, gas fotona sada formira pozadinsko zračenje Univerzuma, koje dolazi do nas jednoliko sa svih strana. Kvant reliktnog zračenja nema masu mirovanja, kao bilo koji kvant elektromagnetnog zračenja, ali ima energiju, i stoga, prema poznatoj Einstein formuli E=Ms?, i masa koja odgovara ovoj energiji. Za većinu reliktnih kvanta, ova masa je vrlo mala: mnogo manja od mase atoma vodika, najčešćeg elementa u zvijezdama i galaksijama. Stoga, unatoč značajnoj prevlasti u broju čestica, kosmička mikrovalna pozadina je inferiorna u odnosu na zvijezde i galaksije u smislu doprinosa ukupnoj masi svemira. U modernoj eri, gustina zračenja je 3*10 -34 g/cm 3 , što je oko hiljadu puta manje od prosečne gustine materije galaksija. Ali to nije uvijek bio slučaj - u dalekoj prošlosti Univerzuma, fotoni su davali glavni doprinos njegovoj gustoći. Činjenica je da u toku kosmološke ekspanzije gustina zračenja opada brže od gustine materije. U ovom procesu ne opada samo koncentracija fotona (istom brzinom kao i koncentracija čestica), već se smanjuje i prosječna energija jednog fotona, budući da se temperatura fotonskog plina smanjuje tijekom širenja. Tokom naknadnog širenja Univerzuma, temperatura plazme i zračenja su pali. Interakcija čestica sa fotonima više nije imala vremena da uočljivo utiče na emisioni spektar tokom karakterističnog vremena ekspanzije. Međutim, čak i u potpunom odsustvu interakcije između zračenja i materije, tokom širenja Univerzuma, spektar zračenja crnog tijela ostaje crno tijelo, samo se temperatura zračenja smanjuje. Sve dok temperatura prelazi 4000 K, primarna materija je bila potpuno ionizirana, raspon fotona od jednog događaja raspršenja do drugog bio je mnogo manji od horizonta Univerzuma. At T ? 4000K došlo je do rekombinacije protona i elektrona, plazma se pretvorila u mješavinu neutralnih atoma vodika i helijuma, Univerzum je postao potpuno transparentan za zračenje. U toku njenog daljeg širenja temperatura zračenja nastavila je da pada, ali je crnotelesna priroda zračenja sačuvana kao relikt, kao „sećanje“ na rani period evolucije sveta. Ovo zračenje je otkriveno prvo na talasnoj dužini od 7,35 cm, a zatim i na drugim talasnim dužinama (od 0,6 mm do 50 cm).

Nema zvijezda i radio galaksija, nema vrućeg međugalaktičkog plina, nema reemisije vidljive svjetlosti međuzvjezdane prašine ne može proizvesti zračenje koje se po svojstvima približava mikrovalnom pozadinskom zračenju: ukupna energija ovog zračenja je previsoka, a njegov spektar nije sličan ni spektru zvijezda ni spektru radio izvora. Ovo, kao i skoro potpuno odsustvo fluktuacija intenziteta nad nebeskom sferom (male ugaone fluktuacije), dokazuje kosmološko, reliktno poreklo mikrotalasnog pozadinskog zračenja.

Pozadinsko zračenje je izotropno samo u koordinatnom sistemu koji je povezan sa "udaljavajućim" galaksijama, u tzv. dolazeći referentni okvir (ovaj okvir se širi zajedno sa Univerzumom). U bilo kom drugom koordinatnom sistemu, intenzitet zračenja zavisi od pravca. Ova činjenica otvara mogućnost mjerenja brzine Sunca u odnosu na koordinatni sistem povezan sa mikrotalasnim pozadinskim zračenjem. Zaista, zbog Doplerovog efekta, fotoni koji se šire prema posmatraču u pokretu imaju veću energiju od onih koji ga sustižu, uprkos činjenici da je u sistemu povezanom sa M.F. tj. njihove energije su jednake. Stoga se ispostavlja da temperatura zračenja za takvog promatrača ovisi o smjeru. Dipolna anizotropija kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, povezana sa kretanjem Sunčevog sistema u odnosu na polje ovog zračenja, sada je čvrsto utvrđena: u pravcu sazvežđa Lava, temperatura kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja je 3,5 mK veći od prosjeka, au suprotnom smjeru (sazviježđe Vodolije) je za isti iznos ispod prosjeka. Posljedično, Sunce (zajedno sa Zemljom) se kreće u odnosu na mf. i. brzinom od oko 400 km/s prema sazviježđu Lava. Preciznost posmatranja je toliko visoka da eksperimentatori fiksiraju brzinu Zemlje oko Sunca, koja iznosi 30 km/s. Uzimanje u obzir brzine Sunca oko centra Galaksije omogućava određivanje brzine Galaksije u odnosu na pozadinsko zračenje, koja iznosi ∼600 km/s. Daleki spektrofotometar infracrveno zračenje(FIRAS) na NASA-inom satelitu Cosmic Background Explorer (COBE) izvršio je precizna mjerenja CMB spektra. Ova mjerenja su postala najpreciznija mjerenja spektra crnog tijela do danas. Najdetaljnija mapa reliktnog zračenja napravljena je kao rezultat rada Amerikanca svemirski brod wmap.

Spektar reliktnog zračenja koji ispunjava Univerzum odgovara spektru zračenja apsolutno crnog tijela sa temperaturom od 2,725 K. Njegov maksimum pada na frekvenciji od 160,4 GHz, što odgovara talasnoj dužini od 1,9 mm. Izotropan je sa tačnošću od 0,001% - standardna devijacija temperatura je približno 18 µK. Ova vrijednost ne uzima u obzir dipolnu anizotropiju (razlika između najhladnijeg i najtoplijeg područja je 6,706 mK) uzrokovanu Doplerovim pomakom frekvencije zračenja zbog naše vlastite brzine u odnosu na CMB okvir. Dipolna anizotropija odgovara kretanju Sunčevog sistema prema sazviježđu Djevice brzinom? 370 km/s.

CMB zračenje

Ekstragalaktičko mikrotalasno pozadinsko zračenje javlja se u frekvencijskom opsegu od 500 MHz do 500 GHz, što odgovara talasnim dužinama od 60 cm do 0,6 mm. Ovo pozadinsko zračenje nosi informacije o procesima koji su se odvijali u svemiru prije formiranja galaksija, kvazara i drugih objekata. Ovo zračenje, nazvano relikt, otkriveno je 1965. godine, iako ga je još 40-ih godina predvidio Georgy Gamow, a astronomi su ga proučavali decenijama.

U svemiru koji se širi, prosječna gustina materije ovisi o vremenu – u prošlosti je bila veća. Međutim, tokom širenja ne mijenja se samo gustoća, već i toplinska energija materije, što znači da je u ranoj fazi širenja Univerzum bio ne samo gust, već i vruć. Kao posljedica toga, u naše vrijeme treba uočiti zaostalo zračenje, čiji je spektar isti kao i spektar apsolutno čvrsto telo, a ovo zračenje bi trebalo biti unutra najviši stepen izotropno. Godine 1964. A.A. Penzias i R. Wilson, testirajući osjetljivu radio antenu, otkrili su vrlo slabo pozadinsko mikrovalno zračenje, kojeg se nikako nisu mogli riješiti. Ispostavilo se da je njegova temperatura bila 2,73 K, što je blizu predviđenoj vrijednosti. Iz eksperimenata na proučavanju izotropije pokazalo se da se izvor mikrovalnog pozadinskog zračenja ne može locirati unutar Galaksije, jer bi se tada morala promatrati koncentracija zračenja prema centru Galaksije. Izvor zračenja takođe nije mogao biti lociran unutar Sunčevog sistema. bi se uočila dnevna varijacija u intenzitetu zračenja. Zbog toga je izvučen zaključak o ekstragalaktičkoj prirodi ovog pozadinskog zračenja. Tako je hipoteza o vrućem svemiru dobila opservacijsku osnovu.

Da bismo razumjeli prirodu CMB-a, potrebno je obratiti se na procese koji su se odvijali u ranim fazama širenja Univerzuma. Hajde da razmotrimo kako su se fizički uslovi u Univerzumu promenili tokom procesa širenja.

Sada svaki kubni centimetar prostora sadrži oko 500 kosmičkih mikrotalasnih pozadinskih fotona, a u tom volumenu je mnogo manje supstance. Budući da je omjer broja fotona i broja bariona očuvan tokom ekspanzije, ali energija fotona opada s vremenom zbog širenja Univerzuma zbog crvenog pomaka, možemo zaključiti da je u nekom trenutku u prošlosti gustina energije radijacije je bilo više gustine energija čestica materije. Ovo vrijeme se zove faza zračenja u evoluciji Univerzuma. Stupanj zračenja karakterizirala je jednakost temperature materije i zračenja. U to vrijeme zračenje je u potpunosti odredilo prirodu širenja svemira. Otprilike milion godina nakon početka širenja Univerzuma, temperatura je pala na nekoliko hiljada stepeni i došlo je do rekombinacije elektrona, koji su ranije bili slobodne čestice, sa protonima i jezgrima helijuma, tj. formiranje atoma. Univerzum je postao transparentan za zračenje, a to je zračenje koje sada hvatamo i nazivamo reliktom. Istina, od tog vremena, zbog širenja Univerzuma, fotoni su smanjili svoju energiju za oko 100 puta. Slikovito rečeno, kvanti reliktnog zračenja "utisnuli su" eru rekombinacije i nose direktne informacije o dalekoj prošlosti.

Nakon rekombinacije, materija je po prvi put počela samostalno evoluirati, bez obzira na zračenje, i u njoj su se počele pojavljivati ​​zgušnjavanje - embriji budućih galaksija i njihovih klastera. Zato su eksperimenti na proučavanju svojstava reliktnog zračenja - njegovog spektra i prostornih fluktuacija - toliko važni za naučnike. Njihovi napori nisu bili uzaludni: početkom 90-ih. Ruski svemirski eksperiment "Relikt-2" i američki "Kobe" otkrili su razlike u temperaturi reliktnog zračenja susjednih dijelova neba, a odstupanje od prosječne temperature iznosi samo oko hiljaditi dio procenta. Ove temperaturne varijacije nose informaciju o odstupanju gustine materije od prosečne vrednosti tokom epohe rekombinacije. Nakon rekombinacije, materija je u Univerzumu bila raspoređena gotovo ravnomjerno, a tamo gdje je gustina bila barem malo iznad prosjeka, privlačnost je bila jača. Varijacije gustoće su kasnije dovele do formiranja velikih struktura uočenih u svemiru, jata galaksija i pojedinačnih galaksija. By moderne ideje, prve galaksije su se morale formirati u epohi koja odgovara crvenim pomacima od 4 do 8.

Postoji li ikakva šansa da se pogleda još dalje u eru koja je prethodila rekombinaciji? Do trenutka rekombinacije, pritisak elektromagnetnog zračenja je uglavnom stvarao gravitaciono polje, koje je usporavalo širenje Univerzuma. U ovoj fazi, temperatura je varirala obrnuto proporcionalno kvadratnom korijenu vremena proteklog od početka ekspanzije. Razmotrimo sukcesivno različite faze širenja ranog Univerzuma.

Na temperaturi od približno 1013 Kelvina, parovi različitih čestica i antičestica su rođeni i poništeni u Univerzumu: protoni, neutroni, mezoni, elektroni, neutrini, itd. Kada je temperatura pala na 5 * 1012 K, gotovo svi protoni i neutroni su anihilirani , pretvarajući se u kvante zračenja; ostale su samo one za koje nije bilo dovoljno antičestica. Upravo od ovih "viška" protona i neutrona uglavnom se sastoji supstanca modernog vidljivog svemira.

Na T= 2*1010 K sveprodorni neutrini su prestali da stupaju u interakciju sa materijom – od tog trenutka je trebalo da ostane „pozadina reliktnog neutrina“, što se može otkriti u toku budućih neutrinskih eksperimenata.

Sve što je rečeno odigralo se pod super visoke temperature u prvoj sekundi nakon početka širenja svemira. Nekoliko sekundi nakon trenutka "rađanja" Univerzuma započela je era primarne nukleosinteze, kada su nastala jezgra deuterijuma, helijuma, litijuma i berilija. Trajao je otprilike tri minuta, a njegov glavni rezultat bilo je formiranje jezgri helijuma (25% mase cjelokupne materije Univerzuma). Preostali elementi, teži od helijuma, činili su zanemariv dio supstance - oko 0,01%.

Nakon epohe nukleosinteze i prije epohe rekombinacije (oko 106 godina), došlo je do mirnog širenja i hlađenja Univerzuma, a zatim - stotinama miliona godina nakon početka - pojavile su se prve galaksije i zvijezde.

Poslednjih decenija razvoj kosmologije i fizike elementarnih čestica omogućio je teorijski razmatranje samog početnog, „superdenznog” perioda širenja Univerzuma. Ispostavilo se da je na samom početku širenja, kada je temperatura bila nevjerovatno visoka (više od 1028 K), Univerzum mogao biti u posebnom stanju u kojem se širio ubrzanjem, a energija po jedinici volumena je ostala konstantna. Ova faza ekspanzije nazvana je inflatornom. Takvo stanje materije moguće je pod jednim uslovom - negativnim pritiskom. Faza ultrabrze inflatorne ekspanzije pokrivala je mali vremenski period: završila se u vremenu od oko 10–36 s. Vjeruje se da se pravo "rađanje" elementarnih čestica materije u obliku u kojem ih sada poznajemo dogodilo neposredno nakon završetka faze inflacije i uzrokovano kolapsom hipotetičkog polja. Nakon toga, širenje svemira je nastavljeno po inerciji.

Hipoteza o inflatornom univerzumu odgovara na brojna pitanja važna pitanja kosmologije, koji su se donedavno smatrali neobjašnjivim paradoksima, posebno u pogledu pitanja uzroka širenja svemira. Da je u svojoj istoriji Univerzum zaista prošao kroz eru kada je postojao veliki negativni pritisak, onda bi gravitacija neminovno izazvala ne privlačenje, već međusobno odbijanje materijalnih čestica. A to znači da je Univerzum počeo da se širi brzo, eksplozivno. Naravno, model inflatornog Univerzuma je samo hipoteza: čak i indirektna provjera njegovih pozicija zahtijeva takve instrumente, koji trenutno jednostavno još nisu stvoreni. Međutim, ideja o ubrzanom širenju svemira u najranijoj fazi njegove evolucije postala je čvrsto utemeljena u modernoj kozmologiji.

Govoreći o ranom Univerzumu, odjednom smo transportovani iz najvećih kosmičkih razmera u oblast mikrokosmosa, koja je opisana zakonima kvantna mehanika. Fizika elementarnih čestica i supervisokih energija usko je isprepletena u kosmologiji sa fizikom džinovskih astronomskih sistema. Najveći i najmanji se ovdje spajaju jedno s drugim. Ovo je nevjerovatna ljepota našeg svijeta, puna neočekivanih međusobnih veza i dubokog jedinstva.

Manifestacije života na Zemlji su izuzetno raznolike. Život na Zemlji predstavljaju nuklearna i prednuklearna, jednoćelijska i višećelijska bića; višećelijske, zauzvrat, predstavljaju gljive, biljke i životinje. Bilo koje od ovih kraljevstava objedinjuje različite tipove, klase, redove, porodice, rodove, vrste, populacije i pojedince.

U svoj naizgled beskrajnoj raznolikosti živih bića može se razlikovati nekoliko različitih nivoa organizacije živih bića: molekularni, ćelijski, tkivni, organski, ontogenetski, populacijski, vrsta, biogeocenotski, biosferski. Navedeni nivoi su istaknuti radi lakšeg učenja. Ako pokušamo da identifikujemo glavne nivoe, koji ne odražavaju toliko nivoe studija koliko nivoe organizacije života na Zemlji, onda glavni kriterijum za takav odabir treba prepoznati kao prisustvo specifičnih elementarnih, diskretnih struktura i elementarnih fenomena. . Ovakvim pristupom pokazuje se da je potrebno i dovoljno izdvojiti molekularno-genetski, ontogenetski, populacijsko-specifični i biogeocenotski nivo (N.V. Timofeev-Resovsky i drugi).

Molekularno genetski nivo. U proučavanju ovog nivoa, po svemu sudeći, najveća jasnoća je postignuta u definisanju osnovnih pojmova, kao i u identifikaciji elementarnih struktura i pojava. Razvoj kromosomske teorije nasljeđa, analiza procesa mutacije i proučavanje strukture hromozoma, faga i virusa otkrili su glavne karakteristike organizacije elementarnih genetskih struktura i s njima povezanih pojava. Poznato je da su glavne strukture na ovom nivou (kodovi nasljednih informacija koje se prenose s generacije na generaciju) DNK, diferencirana po dužini u elemente koda - trojke azotnih baza koje formiraju gene.

Geni na ovom nivou organizacije života predstavljaju elementarne jedinice. Glavnim elementarnim fenomenima povezanim s genima mogu se smatrati njihove lokalne strukturne promjene (mutacije) i prijenos informacija pohranjenih u njima do unutarćelijskih kontrolnih sistema.

Kovarijantna reduplikacija se odvija prema matričnom principu razbijanjem vodoničnih veza dvostruka spirala DNK uz učešće enzima DNK polimeraze. Zatim svaki od lanaca gradi odgovarajuću nit za sebe, nakon čega se novi lanci međusobno komplementarno povezuju.Pirimidinske i purinske baze komplementarnih lanaca međusobno se vezuju vodoničnom vezom pomoću DNK polimeraze. Ovaj proces je veoma brz. Dakle, za samosastavljanje DNK Escherichia coli, koji se sastoji od oko 40 hiljada parova baza, potrebno je samo 100 s. Genetske informacije se prenose iz jezgra putem mRNA molekula u citoplazmu do ribozoma i tamo su uključene u sintezu proteina. Protein koji sadrži hiljade aminokiselina sintetizira se u živoj ćeliji za 5-6 minuta, dok je u bakterijama to brže.

Glavni sistemi upravljanja, kako u konvarijantnoj reduplikaciji, tako iu unutarćelijskom prijenosu informacija, koriste „matrični princip“, tj. su matrice, pored kojih se grade odgovarajući specifični makromolekuli. Trenutno se struktura ugrađena u strukturu uspješno dešifruje. nukleinske kiseline kod koji služi kao matrica u sintezi specifičnih proteinskih struktura u ćelijama. Reduplikacija zasnovana na kopiranju matrice zadržava ne samo genetsku normu, već i odstupanja od nje, tj. mutacije (osnova evolucijskog procesa). Dovoljno tačno poznavanje molekularno-genetskog nivoa neophodan je preduslov za jasno razumevanje životnih pojava koje se dešavaju na svim drugim nivoima organizacije života.

Sadržaj članka

RELIKTNO ZRAČENJE, kosmičko elektromagnetno zračenje koje dolazi na Zemlju sa svih strana neba sa približno istim intenzitetom i ima spektar karakterističan za zračenje crnog tijela na temperaturi od oko 3 K (3 stepena Celzijusa). apsolutnu skalu Kelvina, što odgovara -270 ° C). Na ovoj temperaturi, glavni dio zračenja pada na radio valove centimetarskog i milimetarskog opsega. Gustina energije reliktnog zračenja je 0,25 eV/cm 3 .

Eksperimentalni radioastronomi radije nazivaju ovo zračenje "kosmičkom mikrovalnom pozadinom" (CMB). Teorijski astrofizičari ga često nazivaju "reliktnom zračenjem" (termin je predložio ruski astrofizičar I. S. Šklovski), budući da je, u okviru teorije vrućeg svemira koja je danas opšte prihvaćena, ovo zračenje nastalo u ranoj fazi širenja našeg svijeta, kada je njegova supstanca bila praktično homogena i vrlo vruća. Ponekad se u naučnoj i popularnoj literaturi može naći i pojam "kozmičko zračenje od tri stepena". U nastavku ćemo ovo zračenje zvati "relikt".

Otkriće reliktnog zračenja 1965. bilo je od velike važnosti za kosmologiju; postao je jedan od velika dostignuća prirodne nauke 20. veka. i daleko najvažniji za kosmologiju nakon otkrića crvenog pomaka u spektrima galaksija. Slabo reliktno zračenje nam donosi informacije o prvim trenucima postojanja našeg Univerzuma, o toj dalekoj eri kada je cijeli Univerzum bio vruć, a još nije bilo planeta, zvijezda, galaksija. Zadržano poslednjih godina detaljna mjerenja ovog zračenja uz pomoć zemaljskih, stratosferskih i svemirskih opservatorija podižu veo nad misterijom samog rođenja Univerzuma.

teorija vrućeg univerzuma.

Godine 1929. američki astronom Edwin Hubble (1889-1953) otkrio je da se većina galaksija udaljava od nas, a što je brže što je galaksija dalje (Hubbleov zakon). Ovo je protumačeno kao opća ekspanzija svemira koja je započela prije oko 15 milijardi godina. Postavilo se pitanje kako je svemir izgledao u dalekoj prošlosti, kada su galaksije tek počele da se udaljuju jedna od druge, pa čak i ranije. Iako matematički aparat, na osnovu opšta teorija Ajnštajnovu teoriju relativnosti i opisivanje dinamike svemira kreirali su još 1920-ih godina Willem de Sitter (1872–1934), Alexander Friedmann (1888–1925) i Georges Lemaitre (1894–1966), oko psihičko stanje Svemiru ništa nije bilo poznato u ranoj epohi njegove evolucije. Nije postojala čak ni sigurnost da postoji određeni trenutak u istoriji svemira koji bi se mogao smatrati "početkom širenja".

Razvoj nuklearna fizika 1940-ih godina omogućio je razvoj teorijski modeli evolucije Univerzuma u prošlosti, kada je njegova supstanca trebala biti komprimirana velika gustoća u kojoj su nuklearne reakcije bile moguće. Ovi modeli su, pre svega, trebali da objasne sastav materije Univerzuma, koji je u to vreme već bio prilično pouzdano izmeren posmatranjem spektra zvezda: u proseku se sastoje od 2/3 vodonika i 1/3 helijuma, a svi ostali hemijski elementi zajedno ne čine više od 2%. Poznavanje svojstava intranuklearnih čestica - protona i neutrona - omogućilo je izračunavanje opcija za početak širenja svemira, koje se razlikuju u početnom sadržaju ovih čestica i temperaturi tvari i zračenju koje je u termodinamičkoj ravnoteži. sa tim. Svaka od varijanti dala je svoj sastav početne supstance Univerzuma.

Ako izostavimo detalje, onda postoje dvije fundamentalno različite mogućnosti za uslove pod kojima se odvijao početak širenja Univerzuma: njegova supstanca može biti ili hladna ili vruća. Posljedice nuklearnih reakcija međusobno se bitno razlikuju. Iako je ideju o mogućnosti vruće prošlosti Univerzuma izrazio u svojim ranim radovima Lemaitre, istorijski gledano, mogućnost hladnog početka prvi put je razmatrana 1930-ih.

U prvim pretpostavkama vjerovalo se da je sva materija Univerzuma isprva postojala u obliku hladnih neutrona. Kasnije se pokazalo da je takva pretpostavka u suprotnosti sa zapažanjima. Činjenica je da se neutron u slobodnom stanju raspada u prosjeku 15 minuta nakon pojave, pretvarajući se u proton, elektron i antineutrino. U svemiru koji se širi, rezultirajući protoni bi počeli da se kombinuju sa preostalim neutronima, formirajući jezgra atoma deuterija. Nadalje, lanac nuklearnih reakcija doveo bi do stvaranja jezgri atoma helija. Složenije atomska jezgra, kao što pokazuju proračuni, u ovom slučaju praktički ne nastaju. Kao rezultat, sva materija bi se pretvorila u helijum. Takav zaključak je u oštroj suprotnosti sa zapažanjima zvijezda i međuzvjezdane materije. Rasprostranjenost hemijskih elemenata u prirodi odbacuje hipotezu o početku širenja materije u obliku hladnih neutrona.

Godine 1946. u Sjedinjenim Državama fizičar ruskog porijekla Georgij Gamov (1904-1968) predložio je "vruću" verziju početnih faza širenja svemira. Godine 1948. objavljen je rad njegovih saradnika Ralpha Alphera i Roberta Hermana koji razmatra nuklearne reakcije u vrućoj materiji na početku kosmološke ekspanzije kako bi se dobio trenutno opaženi omjer između broja različitih kemijskih elemenata i njihovih izotopa. Tih godina je prirodna bila želja da se nastanak svih hemijskih elemenata objasni njihovom sintezom u prvim trenucima evolucije materije. Činjenica je da su u to vrijeme pogrešno procijenili vrijeme koje je proteklo od početka širenja Univerzuma na samo 2-4 milijarde godina. To je bilo zbog precijenjene vrijednosti Hubble konstante, koja je tih godina slijedila iz astronomskih posmatranja.

Upoređujući starost Univerzuma od 2-4 milijarde godina sa procijenjenom starošću Zemlje - oko 4 milijarde godina - bilo je potrebno pretpostaviti da su Zemlja, Sunce i zvijezde nastali od primarne materije sa gotovim hemijskim sastavom . Smatralo se da se ovaj sastav nije bitno promijenio, jer je sinteza elemenata u zvijezdama spor proces i nije bilo vremena za njegovu provedbu prije formiranja Zemlje i drugih tijela.

Naknadna revizija skale ekstragalaktičkih udaljenosti dovela je i do revizije starosti Univerzuma. Teorija zvjezdane evolucije uspješno objašnjava porijeklo svega teški elementi(teži od helijuma) njihovom nukleosintezom u zvijezdama. Nije bilo potrebe objašnjavati porijeklo svih elemenata, uključujući i teške, u ranoj fazi širenja Univerzuma. Međutim, ispostavilo se da je suština hipoteze o vrućem svemiru tačna.

S druge strane, obilje helijuma u zvijezdama i međuzvjezdanom plinu je oko 30% mase. Ovo je mnogo više nego što se može objasniti nuklearnim reakcijama u zvijezdama. To znači da helijum, za razliku od teških elemenata, treba sintetizirati na početku širenja svemira, ali istovremeno - u ograničenoj količini.

Glavna ideja Gamowove teorije je upravo da visoka temperatura materije sprečava transformaciju sve materije u helijum. U trenutku 0,1 sekunde nakon početka ekspanzije, temperatura je bila oko 30 milijardi K. U tako vrućoj tvari nalazi se mnogo fotona visoke energije. Gustina i energija fotona su toliko visoke da svjetlost stupa u interakciju sa svjetlom, što dovodi do stvaranja parova elektron-pozitron. Anihilacija parova može, zauzvrat, dovesti do proizvodnje fotona, kao i do proizvodnje parova neutrina i antineutrina. U ovom "kotlu" je obična materija. Na vrlo visokim temperaturama, složena atomska jezgra ne mogu postojati. Trenutačno bi ih razbili okolne energetske čestice. Stoga, teške čestice materije postoje u obliku neutrona i protona. Interakcije s energetskim česticama uzrokuju da se neutroni i protoni brzo pretvaraju jedni u druge. Međutim, reakcije spajanja neutrona s protonima se ne odvijaju, jer se nastalo jezgro deuterijuma odmah razbija česticama visoke energije. Dakle, zbog visoke temperature na samom početku puca lanac koji vodi do stvaranja helijuma.

Tek kada se širenje svemira ohladi ispod milijardu kelvina, dio nastalog deuterija je već uskladišten i dovodi do fuzije helijuma. Proračuni pokazuju da se temperatura i gustina materije mogu podesiti tako da do tog vremena udio neutrona u materiji iznosi oko 15% mase. Ovi neutroni se kombinuju sa istim brojem protona i formiraju oko 30% helijuma. Preostale teške čestice ostale su u obliku protona - jezgri atoma vodika. Nuklearne reakcije završiti nakon prvih pet minuta nakon početka širenja svemira. U budućnosti, kako se svemir širi, temperatura njegove materije i zračenja se smanjuju. Iz radova Gamowa, Alfera i Hermana 1948. slijedi: ako teorija vrućeg svemira predviđa pojavu 30% helijuma i 70% vodonika kao glavnih hemijskih elemenata prirode, onda modernog univerzuma mora neizbježno biti ispunjen ostatkom („reliktom“) prvobitnog vrućeg zračenja, a savremena temperatura ovog reliktnog zračenja mora biti oko 5 K.

Međutim, analiza različitih varijanti početka kosmološke ekspanzije nije završila Gamowovom hipotezom. Početkom 1960-ih, genijalan pokušaj da se vrati na hladnu verziju napravio je Ya.B. Zel'dovich, koji je sugerirao da se originalna hladna materija sastoji od protona, elektrona i neutrina. Kao što je Zel'dovich pokazao, takva se mešavina pretvara u čisti vodonik. Helijum i drugi hemijski elementi, prema ovoj hipotezi, sintetisani su kasnije, kada su se formirale zvezde. Imajte na umu da su u to vrijeme astronomi već znali da je Univerzum nekoliko puta stariji od Zemlje i većine zvijezda oko nas, a podaci o obilju helijuma u predzvjezdanoj materiji su tih godina još uvijek bili vrlo nesigurni.

Činilo bi se da, odlučujući test birati između hladnog i vrućeg modela svemira mogla bi biti potraga za kosmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem. Ali iz nekog razloga, dugi niz godina nakon predviđanja Gamowa i njegovih kolega, niko nije svjesno pokušao otkriti ovo zračenje. Sasvim slučajno su ga 1965. godine otkrili radiofizičari američke kompanije "Bell" R. Wilson i A. Penzias, koji su 1978. dobili Nobelovu nagradu.

Na putu do otkrića reliktnog zračenja.

Sredinom 1960-ih, astrofizičari su nastavili teoretski proučavati vrući model svemira. Proračun očekivanih karakteristika CMB-a izvršili su 1964. A.G. Doroshkevich i I.D. Novikov u SSSR-u i nezavisno F. Hoyle i R.J. Taylor u Velikoj Britaniji. Ali ovi radovi, kao i raniji radovi Gamowa i njegovih kolega, nisu privukli pažnju. Ali oni su već uvjerljivo pokazali da se reliktno zračenje može primijetiti. Uprkos ekstremnoj slabosti ovog zračenja u našoj eri, ono na sreću leži u onom području elektromagnetnog spektra gdje svi drugi kosmički izvori u cjelini zrače još slabije. Stoga je ciljana potraga za kosmičkom mikrovalnom pozadinom trebala dovesti do njenog otkrića, ali radio astronomi nisu znali za to.

Evo šta je A. Penzias rekao u svom Nobelovom predavanju: „Prvo objavljeno prepoznavanje kosmičke mikrotalasne pozadine kao fenomena koji se može detektovati u radio opsegu pojavilo se u proleće kratak članak A.G. Doroshkevich i I.D. Novikov, pod naslovom Prosječna gustina radijacija u Metagalaksiji i neka pitanja relativističke kosmologije. Iako se engleski prijevod pojavio iste godine, ali nešto kasnije, u poznatom časopisu Sovetskaya Fizika - Doklady, članak očigledno nije privukao pažnju drugih stručnjaka iz ove oblasti. Ovaj izvanredan članak ne samo da prikazuje spektar kosmičke mikrotalasne pozadine kao crno tijelo talasni fenomen, ali i jasno fokusiran na reflektor rog od dvadeset stopa iz Bell Laboratory na Crawford Hillu, kao najpogodniji alat za njegovo otkrivanje! (cit. po: Sharov A.S., Novikov I.D. Čovjek koji je otkrio eksploziju svemira: Život i djelo Edwina Hubblea. M., 1989).

Nažalost, ni teoretičari ni posmatrači nisu primijetili ovaj članak; nije stimulisala potragu za kosmičkim mikrotalasnim pozadinskim zračenjem. Istoričari nauke se i dalje pitaju zašto dugi niz godina niko nije pokušao svjesno tražiti radijaciju iz vrućeg Univerzuma. Zanimljivo je da je prošlo ovo otkriće - jedno od najvećih do 20. stoljeća. – naučnici su prošli nekoliko puta a da to nisu primetili.

Na primjer, reliktno zračenje moglo je biti otkriveno već 1941. godine. Tada je kanadski astronom E. McKellar analizirao apsorpcione linije uzrokovane u spektru zvijezde Zeta Zmijodjelo međuzvjezdanim molekulima cijanida. Došao je do zaključka da ove linije u vidljivom području spektra mogu nastati samo kada svjetlost apsorbuju rotirajući cijan molekuli, a njihova rotacija mora biti pobuđena zračenjem s temperaturom od oko 2,3 K. Naravno, niko nije mogao imati mislio je tada da je pobuda rotacijskih nivoa ovih molekula uzrokovana reliktnim zračenjem. Tek nakon njegovog otkrića 1965. objavljeni su radovi I. S. Shklovskyja, J. Fielda i drugih, u kojima je pokazano da pobuđivanje rotacije međuzvjezdanih cijan molekula, čije se linije jasno uočavaju u spektrima mnogih zvijezda, uzrokovan je upravo reliktnim zračenjem.

Još dramatičnija priča odigrala se sredinom 1950-ih. Tada je mladi naučnik T. A. Šmaonov, pod vodstvom poznatih sovjetskih radio astronoma S. E. Khaikin i N. L. Kaidanovsky, izmjerio radio emisiju iz svemira na talasnoj dužini od 32 cm. Ova mjerenja su obavljena pomoću rog antene slične onoj korištenoj mnogo godina kasnije Penzias i Wilson. Šmaonov je pažljivo proučavao moguće smetnje. Naravno, tada nije imao na raspolaganju tako osjetljive prijemnike kakve su kasnije imali Amerikanci. Rezultati Šmaonovljevih mjerenja objavljeni su 1957. u njegovoj doktorskoj tezi i u časopisu Devices and Experimental Technique. Zaključak iz ovih mjerenja je bio sljedeći: "Pokazalo se da je apsolutna vrijednost efektivne temperature pozadinske radio emisije ... jednaka 4 ± 3 K." Šmaonov je primetio nezavisnost intenziteta zračenja od pravca na nebu i od vremena. Iako su greške mjerenja bile velike i ne treba govoriti o bilo kakvoj pouzdanosti slike 4, sada nam je jasno da je Šmaonov izmjerio upravo kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje. Nažalost, ni on ni drugi radioastronomi nisu znali ništa o mogućnosti postojanja kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja i tim mjerenjima nisu pridavali odgovarajuću važnost.

Konačno, oko 1964. godine, poznati eksperimentalni fizičar sa Princetona (SAD) Robert Dicke je svjesno pristupio ovom problemu. Iako je njegovo razmišljanje bilo zasnovano na teoriji o "oscilirajućem" univerzumu koji stalno doživljava širenje i sažimanje, Dicke je jasno shvatio potrebu za traganjem za CMB. Na njegovu inicijativu, početkom 1965. godine, mladi teoretičar F. J. E. Peebles je izvršio potrebne proračune, a P. G. Roll i D. T. Wilkinson počeli su graditi malu antenu niske razine šuma na krovu Palmerove fizičke laboratorije na Princetonu. Za traženje pozadinskog zračenja nije potrebno koristiti velike radio teleskope, jer zračenje dolazi iz svih pravaca. Ništa se ne dobija od činjenice da velika antena fokusira snop na manje područje neba. Ali Dickeova grupa nije imala vremena da napravi planirano otkriće: kada je njihova oprema već bila spremna, morali su samo da potvrde otkriće koje su drugi slučajno napravili dan ranije.

Otkriće reliktnog zračenja.

Godine 1960. u Crawford Hillu, Holmdel (New Jersey, SAD) izgrađena je antena za primanje radio signala reflektovanih sa satelita Echo balon. Do 1963. ova antena više nije bila potrebna za rad sa satelitom, a radiofizičari Robert Woodrow Wilson (r. 1936.) i Arno Elan Penzias (r. 1933.) iz laboratorije kompanije Bell Telephone odlučili su je koristiti za radio astronomiju. zapažanja. Antena je bila rog od 20 stopa. Zajedno sa najnovijim prijemnim uređajem, ovaj radio teleskop je u to vrijeme bio najosetljiviji instrument na svijetu za mjerenje radio talasa koji dolaze iz široke platforme na nebu. Prije svega, trebalo je izmjeriti radio emisiju međuzvjezdani medij naše Galaksije na talasnoj dužini od 7,35 cm Arno Penzias i Robert Wilson nisu znali za teoriju vrućeg svemira i nisu hteli da traže kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje.

Za precizno mjerenje radio-emisije Galaksije bilo je potrebno uzeti u obzir sve moguće smetnje uzrokovane zračenjem Zemljine atmosfere i površine Zemlje, kao i smetnje koje se javljaju u anteni, električna kola i prijemnici. Preliminarno testiranje prijemnog sistema pokazalo je nešto više buke nego što se očekivalo, ali se činilo uvjerljivim da je to zbog malog viška šuma u krugovima za pojačavanje. Kako bi zaobišli ove probleme, Penzias i Wilson su koristili uređaj poznat kao "hladno opterećenje" u kojem se signal koji dolazi iz antene uspoređuje sa signalom iz vještački izvor, hlađen tečnim helijumom na temperaturi od oko četiri stepena iznad apsolutna nula(4K). U oba slučaja, električni šum u krugovima za pojačavanje mora biti isti, pa stoga razlika dobijena poređenjem daje snagu signala koji dolazi iz antene. Ovaj signal sadrži doprinose samo od antenskog uređaja, zemljine atmosfere i astronomskog izvora radio talasa koji ulazi u vidno polje antene.

Penzias i Wilson su očekivali da će antenski raspored proizvoditi vrlo malo električnog šuma. Međutim, da bi testirali ovu pretpostavku, počeli su svoja opažanja na relativno kratkim talasnim dužinama od 7,35 cm, pri čemu bi radio šum iz Galaksije trebao biti zanemariv. Naravno, na takvoj talasnoj dužini se očekivala neka vrsta radiošuma iz Zemljine atmosfere, ali bi taj šum trebao imati karakterističnu ovisnost o smjeru: trebao bi biti proporcionalan debljini atmosfere u smjeru u kojem antena gleda: a malo manje prema zenitu, malo više prema pravcu horizonta. Očekivalo se da nakon oduzimanja atmosferskog termina od karakteristična zavisnost neće ostati značajan signal iz antene iz smjera i to će potvrditi da je električni šum koji proizvodi antenski uređaj zanemarljiv. Nakon toga će biti moguće započeti proučavanje same Galaksije na velikim talasnim dužinama - oko 21 cm, gde je zračenje mliječni put je od značajnog značaja. (Imajte na umu da se radio talasi dužine od centimetara ili decimetara, do 1 m, obično nazivaju "mikrotalasno zračenje". Ovaj naziv je dat jer su ove talasne dužine manje od onih ultrakratkih talasa koji su se koristili u radarima na početku Drugog svetskog rata . .)

Na svoje iznenađenje, Penzias i Wilson su u proljeće 1964. otkrili da su uhvatili prilično primjetnu količinu mikrovalne buke neovisne o smjeru na 7,35 cm. Utvrdili su da se ova "statična pozadina" ne mijenja sa dobom dana, a kasnije su ustanovili da ne zavisi ni od godišnjeg doba. Posljedično, ovo ne može biti zračenje Galaksije, jer bi se u tom slučaju njen intenzitet mijenjao u zavisnosti od toga da li antena gleda duž ravni Mliječnog puta ili poprijeko. Osim toga, da je ovo zračenje naše Galaksije, onda bi velika spiralna galaksija M 31 u Andromedi, po mnogo čemu slična našoj, također morala snažno zračiti na talasnoj dužini od 7,35 cm, ali to nije uočeno. Odsustvo bilo kakve varijacije u posmatranom mikrotalasnom šumu sa smerom snažno sugeriše da ovi radio talasi, ako postoje, ne dolaze iz Mlečnog puta, već iz mnogo veće zapremine univerzuma.

Istraživačima je bilo jasno da moraju ponovo testirati da li sama antena možda proizvodi više električne buke nego što se očekivalo. Konkretno, bilo je poznato da se par golubova gnijezdio u usniku antene. Bili su uhvaćeni, poslati poštom na Bellovu lokaciju Vippany, pušteni, ponovo otkriveni nekoliko dana kasnije na svom položaju u anteni, ponovo uhvaćeni i konačno umireni drastičnijim sredstvima. Međutim, dok su iznajmljivali prostorije, golubovi su unutrašnju stranu antene obložili, kako je Penzias nazvao "bijelom dielektričnom supstancom" koja bi na sobnoj temperaturi mogla biti izvor električne buke. Početkom 1965. rog antene je demontiran i sva prljavština očišćena, ali je ovo, kao i svi drugi trikovi, dalo vrlo malo smanjenja uočenog nivoa buke.

Kada su svi izvori smetnji pažljivo analizirani i uzeti u obzir, Penzias i Wilson su bili primorani da zaključe da radijacija dolazi iz svemira, i to iz svih pravaca, istog intenziteta. Pokazalo se da prostor zrači kao da je zagrijan na temperaturu od 3,5 kelvina (tačnije, postignuta preciznost nam je omogućila da zaključimo da je “temperatura prostora” bila od 2,5 do 4,5 kelvina). Treba napomenuti da je ovo vrlo suptilan eksperimentalni rezultat: na primjer, ako se briket sladoleda stavi ispred antenskog sirena, tada bi zasjao u radio opsegu, 22 miliona puta jače od odgovarajućeg dijela neba . Razmišljajući o neočekivanom rezultatu svojih zapažanja, Penzias i Wilson nisu žurili s objavljivanjem. Ali događaji su se već razvijali protiv njihove volje.

Dogodilo se da je Penzias pozvao svog prijatelja Bernarda Burkea iz Massachusettsa sasvim drugom prilikom. Institut za tehnologiju. Neposredno prije toga, Burke je čuo od svog kolege Kena Tsrnera iz Karnegijevog instituta za govor koji je čuo na Johns Hopkinsu od strane teoretičara s Prinstona Phila Peebleslema, koji je radio pod vodstvom Roberta Dickea. U ovom govoru, Peebles je tvrdio da mora postojati pozadinski radio šum koji je ostao iz ranog svemira koji sada ima ekvivalentnu temperaturu od oko 10 K.

Penzias je nazvao Dickea i dva istraživačka tima su se sastala. Robertu Dickeu i njegovim kolegama F. Peeblesu, P. Rollu i D. Wilkinsonu postalo je jasno da su A. Penzias i R. Wilson otkrili kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje iz vrućeg Univerzuma. Naučnici su odlučili da istovremeno objave dva pisma u prestižnom časopisu Astrophysical Journal. U ljeto 1965. objavljena su oba rada: Penzias i Wilson o otkriću kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, te Dicke i kolege s njegovim objašnjenjem koristeći teoriju vrućeg svemira. Očigledno ne u potpunosti uvjereni u kosmološku interpretaciju svog otkrića, Penzias i Wilson su svojoj bilješci dali skroman naslov: Mjerenje viška temperature antene na 4080 MHz. Jednostavno su objavili da su "mjerenja efektivne temperature buke u zenitu... dala vrijednost 3,5 K veću od očekivane", i izbjegli bilo kakvo spominjanje kosmologije, osim fraze da je "moguće objašnjenje za uočenu temperaturu viška buke Dicke, Peebles, Roll i Wilkinson u propratnom pismu u istom broju časopisa.

U narednim godinama izvršena su brojna mjerenja na različitim talasnim dužinama od desetina centimetara do djelića milimetra. Zapažanja su pokazala da CMB spektar odgovara Planckovoj formuli, kao što bi trebao biti za zračenje određene temperature. Potvrđeno je da je ova temperatura približno 3 K. To je učinjeno divno otkriće, što dokazuje da je Univerzum bio vruć na početku širenja.

Takav je složeni preplitanje događaja koji je kulminirao otkrićem vrućeg svemira od strane Penziasa i Wilsona 1965. Utvrđivanje činjenice supervisoke temperature na početku širenja Univerzuma bilo je početna tačka velika istraživanja, što dovodi do otkrivanja ne samo astrofizičkih tajni, već i tajni strukture materije.

Najpreciznija mjerenja kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja izvedena su iz svemira: ovo su eksperiment Relikt na sovjetskom satelitu Prognoz-9 (1983–1984) i DMR (Differential Microwave Radiometer) eksperiment na američkom satelitu COBE (Cosmic Background Explorer, novembar 1989–1993), potonji je omogućio da se najpreciznije odredi temperatura reliktnog zračenja: 2,725 ± 0,002 K.

Mikrovalna pozadina kao "novi eter".

Dakle, spektar reliktnog zračenja sa vrlo visoka preciznost odgovara zračenju crnog tijela (tj. opisano Planckovom formulom) sa temperaturom T = 2,73 K. Međutim, postoje mala (oko 0,1%) odstupanja od ove prosječne temperature, ovisno o tome u kom smjeru se mjerenje vrši na nebu. Činjenica je da je reliktno zračenje izotropno samo u koordinatnom sistemu koji je povezan sa čitavim sistemom galaksija koje se povlače, u takozvanom "komotirajućem referentnom okviru", koji se širi zajedno sa Univerzumom. U bilo kom drugom koordinatnom sistemu, intenzitet zračenja zavisi od pravca. Prije svega, to je uzrokovano pomjeranjem mjernog uređaja u odnosu na kosmičku mikrotalasnu pozadinu: Doplerov efekat dovodi do "plavila" fotona koji lete prema uređaju, i do "crvenjenja" fotona koji ga sustižu.

U ovom slučaju, izmjerena temperatura u odnosu na prosjek (T 0) ovisi o smjeru kretanja: T = T 0 (1 + (v / c) cos i), gdje je v brzina uređaja u koordinatnom sistemu povezanom s pozadinskim zračenjem; c je brzina svjetlosti, i je ugao između vektora brzine i pravca posmatranja. Na pozadini ujednačene raspodjele temperature pojavljuju se dva "pola" - topla u smjeru kretanja i hladna u suprotnom smjeru. Stoga se takvo odstupanje od uniformnosti naziva "dipol". Dipolna komponenta u distribuciji reliktnog zračenja otkrivena je tokom zemaljskih osmatranja: u pravcu sazviježđa Lava ispostavilo se da je temperatura ovog zračenja 3,5 mK viša od prosjeka, au suprotnom smjeru (sazviježđe Lava). Vodolija) za isti iznos ispod prosjeka. Stoga se krećemo u odnosu na pozadinsko zračenje brzinom od oko 400 km/s. Ispostavilo se da je tačnost mjerenja toliko visoka da su nađene čak i godišnje varijacije u dipolnoj komponenti uzrokovane okretanjem Zemlje oko Sunca brzinom od 30 km/s.

Mjerenja sa umjetni sateliti Zemlja je značajno poboljšala ove podatke. Prema podacima COBE, nakon uzimanja u obzir orbitalnog kretanja Zemlje, ispada da se Sunčev sistem kreće tako da je amplituda dipolne komponente CMB temperature D T = 3,35 mK; ovo odgovara brzini kretanja V = 366 km/s. Sunce se kreće u odnosu na zračenje u pravcu granice sazvežđa Lav i Kalež, do tačke sa ekvatorijalne koordinate a = 11 h 12 m i d = –7,1° (epoha J2000); što odgovara galaktičkim koordinatama l = 264,26° i b = 48,22°. Obračunavanje kretanja samog Sunca u galaksiji pokazuje da se, u odnosu na sve galaksije u lokalnoj grupi, Sunce kreće brzinom od 316 ± 5 km/s u pravcu l 0 = 93 ± 2° i b 0 = –4 ± 2°. Stoga se kretanje same Lokalne grupe u odnosu na kosmičku mikrotalasnu pozadinu dešava brzinom od 635 km/s u pravcu oko l= 269° i b= +29°. Ovo je približno pod uglom od 45° u odnosu na pravac prema centru jata galaksija u Djevici (Djevici).

Proučavanje kretanja galaksija u još većem obimu pokazuje da se skup obližnjih jata galaksija (119 klastera iz Abelovog kataloga u krugu od 200 Mpc od nas) kreće kao cjelina u odnosu na CMB brzinom od oko 700 km/s. Dakle, naše susjedstvo svemira pluta u moru kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja primjetnom brzinom. Astrofizičari su u više navrata skrenuli pažnju na činjenicu da sama činjenica postojanja reliktnog zračenja i odabranog referentnog okvira koji je povezan s njim pripisuje ovom zračenju ulogu "novog etera". Ali u ovome nema ničeg mističnog: sve fizička mjerenja u ovom referentnom sistemu su ekvivalentne mjerenjima u bilo kojem drugom inercijski sistem referenca. (Rasprava o problemu "novog etra" u vezi sa Mahovim principom može se naći u knjizi: Zel'dovich Ya.B., Novikov I.D. Struktura i evolucija Univerzuma. M., 1975).

Anizotropija reliktnog zračenja.

Temperatura CMB-a samo je jedan od njegovih parametara koji opisuju rani Univerzum. U svojstvima ovog zračenja, drugi očigledni tragovi vrlo ranoj eri evolucija našeg sveta. Astrofizičari pronalaze ove tragove analizom spektra i prostorne nehomogenosti (anizotropije) CMB-a.

Prema teoriji vrelog svemira, nakon oko 300 hiljada godina nakon početka ekspanzije, temperatura materije i radijacije povezanog s njom smanjila se na 4000 K. Na ovoj temperaturi fotoni više nisu mogli jonizirati atome vodika i helijuma. Dakle, u toj epohi koja odgovara crvenom pomaku z = 1400, došlo je do rekombinacije vruće plazme, usled čega se plazma pretvorila u neutralni gas. Naravno, tada nije bilo galaksija i zvijezda. Nastali su mnogo kasnije.

Pošto je postao neutralan, ispostavilo se da je gas koji ispunjava Univerzum praktički providan za reliktnu radijaciju (iako u to doba to nisu bili radio talasi, već svetlost u vidljivom i bliskom infracrvenom opsegu). Stoga drevna radijacija do nas gotovo neometano stiže iz dubina prostora i vremena. Ali ipak, usput, doživljava neke utjecaje, i kako arheološko nalazište nosi tragove istorijskih događaja.

Na primjer, tokom epohe rekombinacije, atomi su emitovali mnogo fotona s energijom reda 10 eV, što je desetine puta veće od prosječna energija fotona ravnotežnog zračenja tog doba (na T = 4000 K, vrlo je malo takvih energetskih fotona, oko jedne milijarde njihovog ukupan broj). Zbog toga bi rekombinaciono zračenje moralo snažno izobličiti Plankov spektar kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja u opsegu talasnih dužina od oko 250 μm. Istina, proračuni su pokazali da će snažna interakcija zračenja sa materijom dovesti do toga da će se oslobođena energija uglavnom "rasipati" u širokom području spektra i neće ga mnogo izobličiti, ali će se budućim preciznim mjerenjima moći uočiti i ovo izobličenje.

I mnogo kasnije, u eri formiranja galaksija i prve generacije zvijezda (na z ~ 10), kada je ogromna masa već skoro ohlađene materije ponovo doživjela značajno zagrijavanje, CMB spektar se mogao ponovo promijeniti, jer se raspršivanjem na vrući elektroni, fotoni niske energije povećavaju svoju energiju (tzv. "inverzni Comptonov efekat"). Oba gore opisana efekta iskrivljuju spektar kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja u njegovom kratkotalasnom području, koje je do sada najmanje proučavano.

Iako u našoj eri večina obična materija je gusto zbijena u zvijezde, a one u galaksijama, ipak, čak i blizu nas, kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje može doživjeti primjetno izobličenje spektra ako njegovi zraci prođu kroz veliko jato galaksija na putu do Zemlje. Obično su takva klastera ispunjena retkim, ali veoma vrućim međugalaktičkim gasom koji ima temperaturu od oko 100 miliona K. Rasipajući se na brze elektrone ovog gasa, fotoni niske energije povećavaju svoju energiju (i dalje isti inverzni Comptonov efekat) i prelaze iz niskofrekventno, Rayleigh-Jeans područje spektra u visokofrekventno, krivo područje. Ovaj efekat su predvidjeli R.A. Sunyaev i Ya.B. Zeldovich, a otkrili su ga radioastronomi u pravcu mnogih klastera galaksija u obliku smanjenja temperature zračenja u Rayleigh-Jeans području spektra za 1-3 mK . Efekt Sunyaev-Zel'dovich bio je prvi koji je otkriven među efektima koji stvaraju anizotropiju reliktnog zračenja. Poređenje njegove veličine sa rendgenskim sjajem galaktičkih jata omogućilo je nezavisno određivanje Hablove konstante (H = 60 ± 12 km/s/Mpc).

Vratimo se u eru rekombinacije. U dobi od manje od 300.000 godina, Univerzum je bio gotovo homogena plazma, koja je drhtala od zvuka, tačnije, infrazvučnih valova. Proračuni kosmologa kažu da su ovi valovi kompresije i širenja materije također generirali fluktuacije gustoće zračenja u neprozirnoj plazmi, pa bi ih sada trebalo detektirati kao blago primjetno "mrebanje" u gotovo jednoličnom kosmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju. Stoga bi danas trebalo da dođe na Zemlju iz različitih pravaca sa nešto drugačijim intenzitetom. U ovom slučaju ne govorimo o trivijalnoj dipolnoj anizotropiji uzrokovanoj kretanjem posmatrača, već o varijacijama intenziteta koje su zapravo inherentne samom zračenju. Njihova amplituda bi trebala biti izuzetno mala: otprilike stohiljaditi dio same temperature zračenja, tj. oko 0,00003 K. Vrlo ih je teško izmjeriti. Prvi pokušaji da se odredi veličina ovih malih fluktuacija u zavisnosti od pravca na nebu učinjeni su odmah nakon otkrića samog reliktnog zračenja 1965. Kasnije nisu prestali, ali je do otkrića došlo tek 1992. uz pomoć oprema iznesena van Zemlje. Kod nas su takva mjerenja obavljena u eksperimentu Relikt, ali su ove male fluktuacije pouzdanije zabilježene sa američkog satelita COBE (Sl. 1).

Nedavno su izvedeni i planirani mnogi eksperimenti za mjerenje amplitude fluktuacija kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja u različitim ugaonim skalama, od stepeni do lučnih sekundi. Razno fizičke pojave, koji su se dogodili u prvim trenucima života Univerzuma, trebali su ostaviti svoj karakterističan trag u zračenju koje dolazi do nas. Teorija predviđa određeni odnos između veličina hladnih i vrućih tačaka u intenzitetu CMB-a i njihovog relativnog sjaja. Zavisnost je vrlo neobična: sadrži informacije o procesima rađanja Univerzuma, o tome šta se dogodilo neposredno nakon rođenja, kao i o parametrima današnjeg Univerzuma.

Ugaona rezolucija prvih opservacija - u eksperimentima Relict-2 i COBE - bila je vrlo loša, oko 7°, tako da su informacije o fluktuacijama CMB-a bile nepotpune. U narednim godinama ista su posmatranja vršena uz pomoć kako zemaljskih radioteleskopa (kod nas se za tu svrhu koristi instrument RATAN-600 sa nepopunjenim otvorom prečnika 600 m) tako i radioteleskopa koji su se penjali. baloni u gornje slojeve atmosfere.

Osnovni korak u proučavanju anizotropije kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja bio je eksperiment Bumerang (BOOMERANG), koji su izveli naučnici iz SAD-a, Kanade, Italije, Engleske i Francuske koristeći NASA (SAD) bespilotni balon zapremine 1 milion. kubnih metara, koji je od 29. decembra 1998. do 9. januara 1999. napravio krug na visini od 37 km oko Južnog pola i, preletevši oko 10 hiljada km, spustio gondolu sa instrumentima na padobran 50 km od mesta lansiranja. Posmatranja su vršena submilimetarskim teleskopom sa glavnim ogledalom prečnika 1,2 m, u čijem fokusu je bio sistem bolometara ohlađenih na 0,28 K, koji su merili pozadinu u četiri frekvencijska kanala (90, 150, 240 i 400 GHz) sa ugaonom rezolucijom od 0,2–0,3 stepena. Tokom leta posmatranja su obuhvatila oko 3% nebeska sfera.

Temperaturne nehomogenosti reliktnog zračenja sa karakterističnom amplitudom od 0,0001 K registrovane u eksperimentu Bumerang potvrdile su ispravnost "akustičnog" modela i pokazale da se četvorodimenzionalna prostorno-vremena geometrija Univerzuma može smatrati ravnom. Dobijene informacije su takođe omogućile da se proceni sastav Univerzuma: potvrđeno je da obična barionska materija, od koje se sastoje zvezde, planete i međuzvezdani gas, čini samo oko 4% mase; a preostalih 96% sadržano je u još nepoznatim oblicima materije.

Eksperiment Bumerang je savršeno upotpunjen sličnim eksperimentom MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMAging Array), koji su uglavnom izveli naučnici iz SAD-a i Italije. Njihova oprema, koja je doletjela u stratosferu u avgustu 1998. i junu 1999., istražila je manje od 1% nebeske sfere, ali sa visokom ugaonom rezolucijom: oko 5". Balon je vršio noćne letove iznad kontinentalnog dijela Sjedinjenih Država. Glavno ogledalo teleskopa je imao prečnik 1,3 m. Prijemni deo aparata se sastojao od 16 detektora koji su pokrivali 3 frekventna opsega, sekundarna ogledala su hlađena na kriogene temperature, a bolometri čak niske temperature bilo je moguće održati do 40 sati, što je ograničavalo trajanje leta.

Eksperiment MAXIMA otkrio je malo "mrebanje" u kutnoj raspodjeli CMB temperature. Njegovi podaci su dopunjeni zapažanjima iz zemaljske opservatorije koristeći interferometar DASI (Degree Angular Scale Interferometer) koji su instalirali radio astronomi na Univerzitetu u Čikagu (SAD) u Južni pol. Ovaj kriogeni interferometar od 13 elemenata koji je uočen u deset frekvencijskih kanala u rasponu od 26-36 GHz i otkrio još manje fluktuacije u CMB-u, a ovisnost njihove amplitude o ugaonoj veličini dobro potvrđuje teoriju akustičnih oscilacija naslijeđenu iz mladog Univerzuma. .

Osim mjerenja intenziteta reliktnog zračenja sa Zemljine površine, planirani su i svemirski eksperimenti. U 2007. godini planirano je lansiranje Planck radio teleskopa (Evropska svemirska agencija) u svemir. Njegova kutna rezolucija bit će znatno veća, a osjetljivost oko 30 puta bolja nego u COBE eksperimentu. Stoga se astrofizičari nadaju da će mnoge činjenice o početku postojanja našeg Univerzuma biti razjašnjene (vidi sliku 1).

Vladimir Surdin

književnost:

Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Struktura i evolucija svemira. M., 1975
Kosmologija: teorija i zapažanja. M., 1978
Weinberg S. Prve tri minute. Moderni pogled na porijeklo svemira. M., 1981
Silk J. Veliki prasak. Rođenje i evolucija Univerzuma. M., 1982
Sunyaev R.A. Mikrovalna pozadinska radijacija. - U knjizi: Svemirska fizika: Mala enciklopedija. M., 1986
Dolgov A.D., Zeldovich Ya.B., Sazhin M.V. Kosmologija ranog svemira. M., 1988
Novikov I.D. Evolucija univerzuma. M., 1990