Реліктове світло. Наскільки корисним є реліктове випромінювання? Реліктове випромінювання говорить про однорідність Всесвіту

Одним із цікавих відкриттів, пов'язаних з електромагнітним спектром, є реліктове випромінювання Всесвіту. Відкрито воно було випадково, хоча можливість його існування було передбачено.

Історія відкриття реліктового випромінювання

Історія відкриття реліктового випромінювання почалася 1964 року. Співробітники американської лабораторії Белл Телефонрозробляли систему зв'язку з допомогою штучного супутника Землі. Працювати ця система мала на хвилях довжиною 7,5 сантиметра. Такі короткі хвилі стосовно супутникового радіозв'язку мають деякі переваги, але до Арно Пензіасуі Роберта Вілсонаніхто цієї проблеми не вирішував.

Вони були першовідкривачами у цій сфері і мали подбати про те, щоб на тій же хвилі не виявилося сильних перешкод, або щоб про такі перешкоди працівники зв'язку знали заздалегідь. На той час вважали, що джерелом радіохвиль, що йдуть з космосу, можуть бути лише точкові об'єкти на кшталт радіогалактикабо зірок.

Джерела радіохвиль

У розпорядженні вчених були виключно точний приймач та поворотна рупорна антена. З їхньою допомогою вчені могли прослухати весь небесне склепінняприблизно так, як лікар прослуховує груди хворого за допомогою стетоскопа.

Сигнал природного джерела

І ось ледве антену навели на одну з точок небосхилу, як на екрані осцилографа затанцювала крива лінія. Типовий сигнал природного джерела . Напевно, фахівці здивувалися своєму щастю: у першій заміряній точці - джерело радіовипромінювання!

Але куди б вони не спрямовували свою антену, ефект залишався той самий. Вчені знову і знову перевіряли справність апаратури, але вона була в повному порядку. І нарешті вони зрозуміли, що відкрили невідоме раніше явище природи: весь Всесвіт виявився як би наповнений радіохвилями сантиметрової довжини.

Якби ми могли бачити радіохвилі, небесне склепіння здалося б нам світиться від краю до краю.

Відкриття Пензіасу та Вілсона було опубліковано. І вже не тільки вони, а й вчені багатьох інших країн почали пошуки джерел таємничих радіохвиль, що вловлюються всіма пристосованими для цієї мети антенами і приймачами, де б вони не знаходилися і на яку б точку неба не націлювалися, причому інтенсивність радіовипромінювання на хвилі 7,5 сантиметра в будь-якій точці була абсолютно однаковою, воно ніби розмазане по всьому небу рівномірно.

Реліктове випромінювання розраховане вченими

Радянські вчені А. Г. Дорошкевич та І. Д. Новіков, що передбачили реліктове випромінюваннядо його відкриття, зробили найскладніші підрахунки. Вони врахували всі наявні у нашому Всесвіті джерела випромінювання, врахували і те, як змінилося випромінювання тих чи інших об'єктів у часі. І виявилося, що в області сантиметрових хвиль усі ці випромінювання мінімальні і, отже, за виявлене свічення неба не відповідальні.

Тим часом подальші розрахунки показали, що густина розмазаного випромінювання дуже велика. Ось порівняння фотонного киселя (так назвали вчені загадкове випромінювання) із масою всієї матерії по Всесвіту.

Якщо вся речовина всіх видимих ​​галактик рівномірно «розмазати» по всьому простору Всесвіту, то на три кубічні метри простору доведеться лише один атом водню (для простоти всю матерію зірок вважатимемо воднем). І водночас у кожному кубічному сантиметрі реального простору міститься близько 500 фотонів випромінювання.

Чимало, навіть якщо порівнювати не кількість одиниць речовини та випромінювання, а прямо їх маси. Звідки ж узялося таке інтенсивне випромінювання?

Свого часу радянський вчений А. А. Фрідман, вирішуючи знамениті рівняння Ейнштейна, відкрив, що наш Всесвіт знаходиться в постійному розширенні. Невдовзі було знайдено підтвердження цього.

Американець Е. Хаббл виявив явище розбігання Галактик. Екстраполюючи це явище в минуле, можна обчислити момент, коли вся речовина Всесвіту знаходилася в дуже малому обсязі і щільність його була незрівнянно більшою, ніж зараз. У ході розширення Всесвіту відбувається і подовження довжини хвилі кожного кванта пропорційно до розширення Всесвіту; при цьому квант як би «охолоджується» - адже чим менша довжина хвилі.
кванта, тим він «гарячий».

Сьогоднішнє сантиметрове випромінювання має яскраву температуру близько 3 градусів абсолютної шкали Кельвіна. А десять мільярдів років тому, коли Всесвіт був незрівнянно меншим, а щільність його речовини дуже великою, ці кванти мали температуру близько 10 мільярдів градусів.

З того часу і «засипаний» наш Всесвіт квантами безперервно остигаючого випромінювання. Тому «розмазане» по Всесвіту сантиметрове радіовипромінювання і отримало назву
реліктове випромінювання.

РеліктамиЯк відомо, називаються залишки найдавніших тварин і рослин, що збереглися до наших днів. Кванти сантиметрового випромінювання - безумовно, найдавніший із усіх можливих реліктів. Адже освіта їх відноситься до епохи, що віддалена від нас приблизно на 15 мільярдів років.

Знання про Всесвіт принесло реліктове випромінювання

Практично нічого не можна сказати про те, якою була речовина в нульовий момент, коли її щільність була нескінченно великою. Але явища і процеси, що відбувалися в Всесвіту, всього через секунду після її народження і навіть раніше, до 10-8 секунд, вчені уявляють собі вже досить добре. Відомості про це принесло саме реліктове випромінювання.

Отже, минула секунда з нульового моменту. Матерія нашого Всесвіту мала температуру 10 мільярдів градусів і складалася зі своєрідної «каші» реліктових квантів, електродів, позитронів, нейтрино та антинейтрино. Щільність «каші» була величезною – більше тонни на кожен кубічний сантиметр. У такій «тісноті» безперервно відбувалися зіткнення нейтронів і позитронів з електронами, протони перетворювалися на нейтрони і навпаки.

Але найбільше було тут саме квантів – у 100 мільйонів разів більше, ніж нейтронів та протонів. Звичайно, при подібній щільності і температурі не могли існувати складні ядра речовини: вони тут не розпадалися.

Минуло сто секунд. Розширення Всесвіту тривало, щільність його безперервно зменшувалася, температура падала. Позитрони майже зникли, нейтрони перетворилися на протони.

Почалося утворення атомних ядер водню та гелію. Розрахунки, проведені вченими, показують, що 30 відсотків нейтронів об'єдналися, утворюючи ядра гелію, 70 відсотків їх залишилися самотніми, стали ядрами водню. У ході цих реакцій виникали нові кванти, але їх кількість не йшла вже в жодне порівняння з первісним, тож можна вважати, що воно зовсім не змінювалося.

Розширення Всесвіту тривало. Щільність "каші", настільки круто завареною природою спочатку, знижувалась пропорційно кубу лінійної відстані. Минали роки, сторіччя, тисячоліття.

Пройшло 3 мільйони років. Температура «каші» на цей момент впала до 3-4 тисяч градусів, щільність речовини також наблизилася до відомої нам сьогодні, проте згустки матерії, з яких могли б скластися зірки та Галактики, виникнути ще не могли. Занадто великий був на той час променевий тиск, що розштовхував будь-яку таку освіту. Навіть атоми гелію та водню залишалися іонізованими: електрони існували окремо, протони та ядра атомів – також окремо.

Тільки до кінця тримільйоннолітнього періоду в «каші», що остигає, почали з'являтися перші згущення. Їх було спочатку небагато. Щойно одна тисячна частина «каші» згустилася в своєрідні протозірки, як ці освіти почали «горіти» аналогічно сучасним зіркам.

І фотони і кванти енергії, що висторгали ними, розігріли почату було остигати «кашу» до температур, при яких утворення нових згущень знову виявилося неможливим.

Періоди остигання та повторного розігрівання «каші» спалахами протозірок чергувалися, змінюючи один одного. А на якомусь етапі розширення Всесвіту освіта нових згущень стала практично неможливою вже тому, що колись така густа «каша» надто «розріджувалась».

Приблизно 5 відсотків матерії встигло об'єднатися, а 95 відсотків розсіялося в просторі Всесвіту, що розширюється. Так розсіялися і колись гарячі кванти, що утворили реліктове випромінювання. Так розсіялися і ядра атомів водню та гелію, що входили до складу «каші».

Гіпотеза освіти Всесвіту

Навколо деяких із цих зірок утворилися системи планет, принаймні на одній з таких планет виникло життя, що в ході еволюції породило розум. Як часто зустрічаються у просторах космосу зірки, оточені хороводом планет, вчені поки що не знають. Нічого не можуть вони сказати і про те, як часто.

Та й питання про те, як часто рослина життя розквітає пишною квіткою розуму, залишається відкритим. Відомі нам сьогодні гіпотези, що трактують усі ці питання, більше схожі на малообґрунтовані припущення.

Але сьогодні наука розвивається лавиноподібно. Нещодавно вчені взагалі не уявляли собі, як починалася наша . Відкрите близько 70 років тому реліктове випромінювання дозволило намалювати картину. Сьогодні у людства не вистачає фактів, спираючись на які воно зможе відповісти на сформульовані вище питання.

Проникнення в космічний простір, відвідування Місяця та інших планет приносять нові факти. А за фактами йдуть уже не гіпотези, а суворі висновки.

Реліктове випромінювання говорить про однорідність Всесвіту

Про що ще розповіли вченим реліктові промені, ці свідки народження нашого Всесвіту?

А. А. Фрідман вирішив одне із рівнянь, даних Ейнштейном, і на основі цього рішення відкрив розширення Всесвіту. Щоб вирішити рівняння Ейнштейна, треба було поставити так звані початкові умови.

Фрідман виходив із припущення, що Всесвіт одноріднийта ізотропна, що речовина в ній розподілена рівномірно. І протягом 5-10 років, що минули з дня відкриття Фрідмана, питання про те, чи правильно було його припущення, залишалося відкритим.

Нині його по суті знято. Про ізотропність Всесвіту свідчить дивовижна рівномірність реліктового радіовипромінювання. Другий факт свідчить про те саме - розподіл речовини Всесвіту між Галактиками та міжгалактичним газом.

Адже міжгалактичний газ, що становить основну частину речовини Всесвіту, розподілений по ній так само рівномірно, як і реліктові кванти.

Відкриття реліктового випромінювання дає можливість зазирнути не тільки в наддалеке минуле - за такі межі часу, коли не було ні нашої Землі, ні нашого Сонця, ні нашої Галактики, ні навіть Всесвіту.

Як дивовижний телескоп, який можна направити в будь-який бік, відкриття реліктового випромінювання дозволяє зазирнути й у наддале майбутнє. Така наддалека, коли вже не буде ні Землі, ні Сонця, ні Галактики.

Тут допоможе явище розширення Всесвіту, як розлітаються в просторі зірки, що складають її, Галактики, хмари пилу і газу. Чи вічний цей процес? Або розліт сповільниться, зупиниться, а потім зміниться стиском? І чи не є стискання і розширення Всесвіту, що змінюють один одного, своєрідними пульсаціями матерії, не знищеної
та вічної?

Відповідь на ці питання залежить насамперед від того, скільки матерії міститься у Всесвіті. Якщо її загального тяжіння достатньо, щоб подолати інерцію розльоту, розширення неминуче зміниться стиском, у якому Галактики поступово зблизяться. Ну а якщо сил гравітації для гальмування та подолання інерції розльоту недостатньо, наш Всесвіт приречений: він розсіється у просторі!

Реліктове випромінювання-космічне електромагнітне випромінюванняз високим ступенем ізотропності та зі спектром, характерним для абсолютно чорного тіла з температурою? 2,725 K. Реліктове випромінювання було передбачено Р. Гамовим, Р. Альфером і Р. Германом 1948 року з урахуванням створеної ними першої теорії Великого вибуху. Альфер та Герман змогли встановити, що температура реліктового випромінювання має становити 5 K, а Гамов дав прогноз у 3 K. Хоча деякі оцінки температури простору існували і до цього, вони мали кілька недоліків. По-перше, це були вимірювання лише ефективної температури простору, не передбачалося, що спектр випромінювання підпорядковується закону Планка. По-друге, вони були залежними від нашого особливого розташування на краю Галактики і не припускали, що випромінювання ізотропне. Більше того, вони дали б зовсім інші результати, якби Земля знаходилася десь в іншому місці Всесвіту. Ні сам Г. Гамов, ні багато його послідовників не ставили питання про експериментальне виявлення реліктового випромінювання. Очевидно, вони вважали, що це випромінювання може бути виявлено, оскільки воно «тоне» в потоках енергії, які приносять землі випромінюванням зірок і космічних променів.

Можливість виявлення реліктового випромінювання і натомість випромінювання галактик і зірок у сфері сантиметрових радіохвиль було обгрунтовано розрахунками А.Г. Дорошкевича та І.Д. Новікова, виконаними на пропозицію Я.Б. Зельдовича 1964 р., тобто. за рік до відкриття А. Пепзіаса та Р. Вілсона.

У 1965 році Арно Пензіас і Роберт Вудроу Вільсон побудували радіометр Дікке, який вони мали намір використовувати не для пошуку реліктового випромінювання, а для експериментів у галузі радіоастрономії та супутникових комунікацій. При калібруванні приладу з'ясувалося, що антена має надмірну температуру 3,5 Kвони не могли пояснити. Невеликий шумовий фон не змінювався ні від напрямку, ні від часу роботи. Спочатку вирішили, що це шум, властивий апаратурі. Радіотелескоп демонтували, ще й ще раз випробували його начинку. Самолюбство інженерів було зачеплене, і тому перевірка йшла до останньої деталі, до останньої пайки. Усунули все. Зібрали знову – шум відновився. Після довгих роздумів теоретики дійшли висновку, що це випромінювання могло бути нічим іншим, як постійним тлом космічного радіовипромінювання, що заповнює Всесвіт рівним потоком. Отримавши дзвінок із Холдмдейла, Дікке дотепно зауважив: «Ми зірвали куш, хлопці». Зустріч між групами з Прінстона та Холмдейла визначила, що така температура антени була викликана реліктовим випромінюванням. Астрофізики розрахували, що шум відповідає температурі, яка дорівнює приблизно 3 градусам Кельвіна, і «прослуховується на різних частотах. У 1978 році Пензіас та Вілсон отримали Нобелівську премію за їх відкриття. Можна уявити, як зраділи прихильники «гарячої» моделі, коли надійшло це повідомлення. Це відкриття не лише зміцнило позиції гарячої моделі. Реліктове випромінювання дозволило зі сходинки часу квазарів (8-10 мільярдів років) опуститися на сходинку, що відповідає 300 тисячам років від самого початку. Одночасно підтверджувалася думка, що колись Всесвіт мав щільність у мільярд разів вищу, ніж зараз. Відомо, що нагріта речовина завжди випромінює фотони. Відповідно до загальних законів термодинаміки, у цьому проявляється прагнення рівноважного стану, у якому досягається насичення: народження нових фотонів компенсується зворотним процесом, поглинанням фотонів речовиною, отже повне число фотонів середовищі не змінюється. Цей «фотонний газ» поступово заповнює весь Всесвіт. Температура газу фотонів близька до абсолютного нуля - близько 3 кельвінів, але енергія, що міститься в ньому, більша за світлову енергію, випущену всіма зірками за час їхнього життя. На кожен кубічний сантиметр простору Всесвіту припадає приблизно п'ятсот квантів випромінювання, а повне число фотонів у межах видимого Всесвіту в кілька мільярдів разів більше повного числачастинок речовини, тобто. атомів, ядер, електронів, з яких складаються планети, зірки та галактики. Це загальне фонове випромінювання Всесвіту називають з легкої рукиІ.С. Шкловського, реліктовим, тобто. залишковим, що є залишком, реліктом щільного і гарячого початкового стануВсесвіту. Припустивши, що речовина раннього Всесвітубуло гарячим, Г. Гамов передбачив, що фотони, які перебували тоді в термодинамічній рівновазі з речовиною, повинні зберегтися в сучасну епоху. Ці фотони і вдалося безпосередньо виявити в 1965 р. Випробувавши загальне розширення і пов'язане з ним охолодження, газ фотонів утворює зараз фонове випромінювання Всесвіту, що приходить до нас поступово з усіх боків. Квант реліктового випромінювання не має маси спокою, як всякий квант електромагнітного випромінювання, але має енергію, а отже, за знаменитою формулою Ейнштейна Е = Мс?, та масою, що відповідає цій енергії. Більшість реліктових квантів ця маса дуже мала: набагато менше маси атома водню - найпоширенішого елемента зірок і галактик. Тому, незважаючи на значну перевагу за кількістю частинок, реліктове випромінювання поступається зіркам і галактикам за вкладом у загальну масу Всесвіту. У сучасну епоху щільність випромінювання становить 3*10 -34 г/см 3 , що приблизно тисячу разів менше усередненої щільності речовини галактик. Але так було не завжди - у далекому минулому Всесвіті фотони давали головний внесок у його щільність. Справа в тому, що в ході космологічного розширення щільність випромінювання падає швидше за щільність речовини. У цьому процесі зменшується не тільки концентрація фотонів (у тому ж темпі, що і концентрація частинок), але зменшується і середня енергія одного фотона, оскільки при розширенні падає температура газу фотонів. У ході подальшого розширення Всесвіту температура плазми та випромінювання падала. Взаємодія частинок з фотонами вже не встигала за характерний час розширення помітно впливати на спектр випромінювання. Однак навіть при повній відсутності взаємодії випромінювання з речовиною в ході розширення Всесвіту чорнотільний спектр випромінювання залишається чорнотільним, зменшується лише температура випромінювання. Поки що температура перевищувала 4000 K, первинна речовина була повністю іонізована, пробіг фотонів від одного акту розсіювання до ін. був набагато менший за горизонт Всесвіту. При T ? 4000Kвідбулася рекомбінація протонів і електронів, плазма перетворилася на суміш нейтральних атомів водню та гелію, Всесвіт став повністю прозорим для випромінювання. У її подальшого розширення температура випромінювання продовжувала падати, але чорнотільний характер випромінювання зберігся як релікт, як «пам'ять» про ранній період еволюції світу. Це випромінювання виявили спочатку на хвилі 7,35 см, а потім і на ін хвилях (від 0,6 мм до 50 см).

Ні зірки та радіогалактики, ні гарячий міжгалактичний газ, ні перевипромінювання видимого світла міжзоряним пиломне можуть дати випромінювання, що наближається за властивостями мікрохвильового фонового випромінювання: сумарна енергія цього випромінювання занадто велика, і спектр його не схожий ні на спектр зірок, ні на спектр радіоджерел. Цим, а також майже повною відсутністю флуктуації інтенсивності по небесній сфері (дрібномасштабних кутових флуктуацій) доводиться космологічне, реліктове походження мікрохвильового фонового випромінювання.

Фонове випромінювання ізотропно лише в системі координат, пов'язаної з галактиками, що «розбігаються», в т.з. супутньої системі відліку (ця система розширюється разом із Всесвітом). У будь-якій іншій системі координат інтенсивність випромінювання залежить від напрямку. Цей факт відкриває можливість вимірювання швидкості руху Сонця щодо системи координат, пов'язаної з мікрохвильовим фоновим випромінюванням. Дійсно, в силу Доплера, ефекти фотони, що поширюються назустріч спостерігачеві, що рухається, мають вищу енергію, ніж наздоганяють його, незважаючи на те, що в системі, пов'язаної з м. ф. і., їхня енергія дорівнює. Тому і температура випромінювання для такого спостерігача виявляється залежною від напрямку. Дипольна анізотропія реліктового випромінювання, пов'язана з рухом Сонячної системи щодо поля цього випромінювання, до теперішнього часу твердо встановлена: у напрямку на сузір'я Лева температура реліктового випромінювання на 3,5 мК перевищує середню, а в протилежному напрямку (сузір'я Водолія) на стільки . Отже, Сонце (разом із Землею) рухається щодо м. ф. в. зі швидкістю близько 400 км/с у напрямку сузір'я Лева. Точність спостережень така висока, що експериментатори фіксують швидкість руху Землі навколо Сонця, що становить 30 км/с. Облік швидкості руху Сонця навколо центру Галактики дозволяє визначити швидкість руху Галактики щодо фонового випромінювання. Вона становить 600 км/с. Спектрофотометр далекого інфрачервоного випромінювання(FIRAS), встановлений на супутнику NASA Cosmic Background Explorer (COBE), виконав точні вимірювання спектру реліктового випромінювання. Ці виміри стали найбільш точними на сьогодні вимірами спектра абсолютно чорного тіла. Найбільш докладну карту реліктового випромінювання вдалося збудувати в результаті роботи американського космічного апарату WMAP.

Спектр реліктового випромінювання, що наповнює Всесвіт, відповідає спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725. K. Його максимум посідає частоту 160,4 ГГц, що відповідає довжині хвилі 1,9 мм. Воно ізотропне з точністю до 0,001% - середньоквадратичне відхиленнятемператури становить приблизно 18 мкК. Це значення не враховує дипольну анізотропію (різниця між найбільш холодною і гарячою областю становить 6706 мК), викликану доплерівським зміщенням частоти випромінювання через нашу власну швидкість щодо системи координат, пов'язаної з реліктовим випромінюванням. Дипольна анізотропія відповідає руху Сонячної системи у напрямку сузір'я Діви зі швидкістю? 370 км/с.

Реліктове випромінювання

Позагалактичне мікрохвильове фонове випромінювання посідає діапазон частот від 500 МГц до 500 ГГц, що відповідає довжинам хвиль від 60 см до 0,6 мм. Це фонове випромінювання несе інформацію про процеси, що відбувалися у Всесвіті до утворення галактик, квазарів та інших об'єктів. Це випромінювання, назване реліктовим, було виявлено у 1965 році, хоча воно було передбачено ще у 40-х роках Георгієм Гамовим та досліджувалося астрономами протягом десятиліть.

У Всесвіті, що розширюється, середня щільність речовини залежить від часу - в минулому вона була більшою. Однак при розширенні змінюється не тільки щільність, а й теплова енергія речовини, значить на ранній стадії розширення Всесвіт був не тільки щільним, а й гарячим. Як наслідок, у наш час має спостерігатися залишкове випромінювання, спектр якого такий самий, як спектр абсолютно твердого тіла, і це випромінювання має бути в вищого ступеняізотропно. У 1964 році А.А.Пензіас і Р.Вілсон, відчуваючи чутливу радіоантену, виявили дуже слабке фонове мікрохвильове випромінювання, якого ніяким чином не могли позбутися. Його температура дорівнювала 2,73 К, що близько до передбаченої величини. З експериментів з дослідження ізотропії було показано, що джерело мікрохвильового фонового випромінювання не може перебувати всередині Галактики, тому що тоді мала б спостерігатися концентрація випромінювання до центру Галактики. Джерело випромінювання було перебувати і всередині Сонячної системи, т.к. спостерігалася добова варіація інтенсивності випромінювання. В силу цього було зроблено висновок про позагалактичну природу цього фонового випромінювання. Тим самим гіпотеза гарячого Всесвіту отримала спостережну основу.

Для розуміння природи реліктового випромінювання необхідно звернутися до процесів, що мали місце на ранніх стадіях розширення Всесвіту. Розглянемо, як змінювалися фізичні умови у Всесвіті у процесі розширення.

Наразі кожен кубічний сантиметр простору містить близько 500 реліктових фотонів, а речовини на цей обсяг припадає значно менше. Оскільки відношення числа фотонів до баріонів у процесі розширення зберігається, але енергія фотонів у ході розширення Всесвіту з часом зменшується через червоне зміщення, можна зробити висновок, що колись у минулому щільність енергії випромінювання була більше щільностіенергії частинок речовини. Цей час називається радіаційною стадією в еволюції Всесвіту. Радіаційна стадія характеризувалася рівністю температури речовини та випромінювання. На той час випромінювання повністю визначало характер розширення Всесвіту. Приблизно через мільйон років від початку розширення Всесвіту температура знизилася до кількох тисяч градусів і відбулася рекомбінація електронів, що були раніше вільними частинками, з протонами і ядрами гелію, тобто. утворення атомів. Всесвіт став прозорим для випромінювання, і саме це випромінювання ми зараз уловлюємо і називаємо реліктовим. Щоправда, з того часу через розширення Всесвіту фотони зменшили свою енергію приблизно у 100 разів. Образно кажучи, кванти реліктового випромінювання «зняли» епоху рекомбінації та несуть пряму інформацію про давнє минуле.

Після рекомбінації речовина вперше почала еволюціонувати самостійно, незалежно від випромінювання, і в ній почали з'являтися ущільнення – зародки майбутніх галактик та їх скупчень. Ось чому такі важливі для вчених експерименти з вивчення властивостей реліктового випромінювання – його спектра та просторових флуктуацій. Їхні зусилля не зникли даремно: на початку 90-х рр. ХХ ст. Російський космічний експеримент «Релікт-2» та американський «Кобе» виявили відмінності температури реліктового випромінювання сусідніх ділянок піднебіння, причому величина відхилення від середньої температури становить лише близько тисячної частки відсотка. Ці варіації температури несуть інформацію про відхилення густини речовини від середнього значення в епоху рекомбінації. Після рекомбінації речовина у Всесвіті була розподілена майже рівномірно, а там, де щільність була хоч трохи вищою за середню, сильнішим було тяжіння. Саме варіації щільності згодом призвели до утворення спостережуваних у Всесвіті великомасштабних структур, скупчень галактик та окремих галактик. за сучасним уявленнямПерші галактики повинні були утворитися в епоху, яка відповідає червоним усуненням від 4 до 8.

А чи є шанс заглянути ще далі в епоху рекомбінації? До моменту рекомбінації саме тиск електромагнітного випромінювання в основному створювало гравітаційне поле, що гальмувало розширення Всесвіту. На цій стадії температура змінювалася обернено пропорційно квадратному кореню з часу, що минув від початку розширення. Розглянемо послідовно різні стадії розширення раннього Всесвіту.

При температурі приблизно 1013 Кельвінів у Всесвіті народжувалися і анігілювали пари різних частинок і античастинок: протони, нейтрони, мезони, електрони, нейтрино та ін. залишилися лише ті, для яких «забракло» античастинок. Саме з цих «надлишкових» протонів і нейтронів в основному складається речовина сучасного Всесвіту, що спостерігається.

При Т = 2 * 1010 К з речовиною перестали взаємодіяти всепроникні нейтрино - від того моменту повинен був залишитися "реліктове тло нейтрино", виявити який, можливо, вдасться в ході майбутніх нейтринних експериментів.

Все, про що зараз говорилося, відбувалося при понад високих температурахв першу секунду після початку розширення Всесвіту. Через кілька секунд після моменту «народження» Всесвіту почалася епоха первинного нуклеосинтезу, коли утворювалися ядра дейтерію, гелію, літію та берилію. Вона тривала приблизно три хвилини, а її основним результатом стало утворення ядер гелію (25% від маси всієї речовини Всесвіту). Інші елементи, важчі, ніж гелій, склали мізерно малу частину речовини – близько 0,01%.

Після епохи нуклеосинтезу і до епохи рекомбінації (приблизно 106 років) відбувалося спокійне розширення та охолодження Всесвіту, а потім – через сотні мільйонів років після початку – з'явилися перші галактики та зірки.

В останні десятиліття розвиток космології та фізики елементарних частинок дозволило теоретично розглянути і початковий, «надщільний» період розширення Всесвіту. Виявляється, на самому початку розширення, коли температура була неймовірно висока (більше 1028 К), Всесвіт міг перебувати в особливому стані, при якому він розширювався з прискоренням, а енергія в одиниці обсягу залишалася постійною. Таку стадію розширення назвали інфляційною. Подібний стан матерії можливий за однієї умови – негативного тиску. Стадія надшвидкого інфляційного розширення охоплювала крихітний проміжок часу: вона завершилася на момент приблизно 10-36 с. Вважається, що справжнє «народження» елементарних частинок матерії у вигляді, як ми їх знаємо зараз, відбулося саме після закінчення інфляційної стадії і було викликано розпадом гіпотетичного поля. Після цього розширення Всесвіту тривало вже за інерцією.

Гіпотеза інфляційного Всесвіту відповідає на цілий ряд важливих питанькосмології, які донедавна вважалися незрозумілими парадоксами, зокрема питанням про причину розширення Всесвіту. Якщо у своїй історії Всесвіт справді пройшов через епоху, коли існував великий негативний тиск, то гравітація неминуче мала викликати не тяжіння, а взаємне відштовхування матеріальних частинок. І значить, Всесвіт почав швидко, вибухоподібно розширюватися. Звичайно, модель інфляційного Всесвіту лише гіпотеза: навіть непряма перевірка її положень потребує таких приладів, які зараз просто ще не створені. Однак ідея прискореного розширення Всесвіту на ранній стадії її еволюції міцно увійшла в сучасну космологію.

Говорячи про ранній Всесвіт, ми від найбільших космічних масштабів раптом переносимо в область мікросвіту, яка описується законами квантової механіки. Фізика елементарних частинок та надвисоких енергій тісно переплітається у космології з фізикою гігантських астрономічних систем. Найбільше і щонайменше стуляються тут один з одним. У цьому полягає дивовижна краса нашого світу, повного несподіваних взаємозв'язків і глибокої єдності.

Прояви життя Землі надзвичайно різноманітні. Життя Землі представлена ​​ядерними і доядерними, одно- і багатоклітинними істотами; багатоклітинні, у свою чергу, представлені грибами, рослинами та тваринами. Будь-яке з цих царств поєднує різноманітні типи, класи, загони, сімейства, пологи, види, популяції та індивідууми.

У всьому, начебто, нескінченному різноманітті живого можна назвати кілька різних рівнів організації живого: молекулярний, клітинний, тканинний, органний, онтогенетичний, популяційний, видовий, біогеоценотичний, біосферний. Перелічені рівні виділено за зручністю вивчення. Якщо ж спробувати виділити основні рівні, що відображають не стільки рівні вивчення, скільки рівні організації життя на Землі, то основними критеріями такого виділення мають бути визнані наявність специфічних елементарних, дискретних структур та елементарних явищ. При цьому підході виявляється необхідним та достатнім виділяти молекулярно-генетичний, онтогенетичний, популяційно-видовий та біогеоценотичний рівні (Н.В. Тимофєєв-Ресовський та ін.).

Молекулярно-генетичний рівень. При вивченні цього рівня досягнуто, мабуть, найбільшої ясності у визначенні основних понять, а також у виявленні елементарних структур та явищ. Розвиток хромосомної теорії спадковості, аналіз мутаційного процесу, вивчення будови хромосом, фагів та вірусів розкрили основні риси організації елементарних генетичних структур та пов'язаних з ними явищ. Відомо, що основні структури на цьому рівні (коди спадкової інформації, що передається від покоління до покоління) є ДНК, диференційована по довжині на елементи коду - триплети азотистих основ, що утворюють гени.

Гени цьому рівні організації життя представляють елементарні одиниці. Основними елементарними явищами, пов'язаними з генами, можна вважати їх локальні структурні зміни (мутації) і передачу інформації, що зберігається в них, внутрішньоклітинним керуючим системам.

Конваріантна редуплікація відбувається за матричним принципом шляхом розриву водневих зв'язків подвійний спіраліДНК за участю ферменту ДНК-полімерази. Потім кожна з ниток будує собі відповідну нитку, після чого нові нитки комплементарно з'єднуються між собою. Цей процес здійснюється дуже швидко. Так, на самоскладання ДНК кишкової палички (Escherichia coli), що складається приблизно з 40 тис. пар нуклеотидів, потрібно лише 100 с. Генетична інформація переноситься з ядра молекулами іРНК у цитоплазму до рибосом і там бере участь у синтезі білка. Білок, що містить тисячі амінокислот, у живій клітині синтезується за 5-6 хв, а у бактерій швидше.

Основні управляючі системи як із конваріантної редуплікації, і при внутрішньоклітинної передачі інформації використовують «матричний принцип», тобто. є матрицями, поруч із якими будуються відповідні специфічні макромолекули. В даний час успішно дешифрується закладений у структурі нуклеїнових кислоткод, який служить матрицею при синтезі специфічних білкових структур у клітинах. Редуплікація, заснована на матричному копіюванні, зберігає як генетичну норму, а й відхилення від неї, тобто. мутації (основа процесу еволюції). Досить точне знання молекулярно-генетичного рівня – необхідна передумова для ясного розуміння життєвих явищ, які відбуваються всіх інших рівнях організації життя.

Зміст статті

РЕЛІКТОВЕ ВИМИКАННЯ,космічне електромагнітне випромінювання, що приходить на Землю з усіх боків неба приблизно з однаковою інтенсивністю і має спектр, характерний для випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі близько 3 К (3 градуси за абсолютної шкалиКельвіна, що відповідає -270 ° С). За такої температури основна частка випромінювання посідає радіохвилі сантиметрового і міліметрового діапазонів. Щільність енергії реліктового випромінювання 0,25 еВ/см3.

Радіоастрономи-експериментатори вважають за краще називати це випромінювання "космічним мікрохвильовим фоновим випромінюванням" cosmic microwave background, CMB). Астрофізики-теоретики часто називають його «реліктовим випромінюванням» (термін запропонований російським астрофізиком І.С.Шкловським), оскільки в рамках загальноприйнятої сьогодні теорії гарячого Всесвіту це випромінювання виникло на ранньому етапі розширення нашого світу, коли його речовина була практично однорідною і дуже гарячою. Іноді у науковій та популярній літературі можна також зустріти термін «триградусне космічне випромінювання». Далі ми називатимемо це випромінювання «реліктовим».

Відкриття в 1965 р. реліктового випромінювання мало велике значення для космології; воно стало одним з найважливіших досягненьприродознавства 20 ст. і, безумовно, найважливішим для космології після відкриття червоного усунення в спектрах галактик. Слабке реліктове випромінювання несе нам відомості про перші миті існування нашого Всесвіту, про ту далеку епоху, коли весь Всесвіт був гарячим і в ньому ще не існувало ні планет, ні зірок, ні галактик. Проведені в Останніми рокамидетальні виміри цього випромінювання за допомогою наземних, стратосферних і космічних обсерваторій відкривають завісу над таємницею народження Всесвіту.

Теорія гарячого Всесвіту.

У 1929 американський астроном Едвін Хаббл (1889-1953) відкрив, що більшість галактик віддаляється від нас, причому тим швидше, чим далі розташована галактика (закон Хаббла). Це було інтерпретовано як загальне розширення Всесвіту, яке почалося приблизно 15 млрд років тому. Постало питання про те, як виглядав Всесвіт у далекому минулому, коли галактики тільки почали віддалятися один від одного, і навіть ще раніше. Хоча математичний апарат, оснований на загальної теоріївідносності Ейнштейна і описує динаміку Всесвіту, був створений ще в 1920-і роки Віллемом де Сіттером (1872-1934), Олександром Фрідманом (1888-1925) і Жоржем Леметром (1894-1966), про фізичному станіВсесвіту в ранню епоху її еволюції нічого не було відомо. Не було навіть упевненості, що в історії Всесвіту існував певний момент, який можна вважати «початком розширення».

Розвиток ядерної фізикиу 1940-ті роки дозволило розпочати розробку теоретичних моделейеволюції Всесвіту в минулому, коли її речовина, як передбачалося, було стиснуто до високої щільності, за якої були можливі ядерні реакції. Ці моделі, перш за все, повинні були пояснити склад речовини Всесвіту, який на той час вже був досить надійно виміряний за спостереженнями спектрів зірок: у середньому вони складаються на 2/3 з водню та на 1/3 з гелію, а решта хімічних елементів разом узяті становлять трохи більше 2%. Знання властивостей внутрішньоядерних частинок - протонів і нейтронів - дозволяло розраховувати варіанти початку розширення Всесвіту, що відрізняються вихідним вмістом цих частинок і температурою речовини і випромінювання, що знаходиться з ним в термодинамічній рівновазі. Кожен із варіантів давав свій склад вихідної речовини Всесвіту.

Якщо опустити деталі, то існують дві принципово різні можливості для умов, у яких протікало початок розширення Всесвіту: її речовина могла бути холодною або гарячою. Наслідки ядерних реакцій у своїй докорінно відрізняються друг від друга. Хоча ідею про можливість гарячого минулого Всесвіту висловлював ще у своїх ранніх роботах Леметр, історично першою у 1930-ті роки було розглянуто можливість холодного початку.

У перших припущеннях вважалося, що вся речовина Всесвіту існувала спочатку у вигляді холодних нейтронів. Пізніше з'ясувалося, що таке припущення суперечить спостереженням. Справа в тому, що нейтрон у вільному стані розпадається в середньому за 15 хвилин після виникнення, перетворюючись на протон, електрон та антинейтрино. У Всесвіті, що розширюється, виникли протони стали б з'єднуватися з ще нейтронами, що залишилися, утворюючи ядра атомів дейтерію. Далі ланцюжок ядерних реакцій призвів би до утворення ядер атомів гелію. Більш складні атомні ядраЯк показують розрахунки, при цьому практично не виникають. У результаті вся речовина перетворилася б на гелій. Такий висновок знаходиться в різкій суперечності зі спостереженнями зірок та міжзоряної речовини. Поширеність хімічних елементів у природі відкидає гіпотезу про початок розширення речовини як холодних нейтронів.

У 1946 США «гарячий» варіант початкових стадій розширення Всесвіту запропонував фізик російського походження Георгій Гамов (1904-1968). У 1948 була опублікована робота його співробітників - Ральфа Альфера і Роберта Хермана, в якій розглядалися ядерні реакції в гарячій речовині на початку космологічного розширення з метою отримати співвідношення між кількістю різних хімічних елементів і їх ізотопів. У роки прагнення пояснити походження всіх хімічних елементів їх синтезом у перші миті еволюції речовини було природним. Справа в тому, що тоді помилково оцінювали час, що пройшов з початку розширення Всесвіту, лише у 2–4 млрд. років. Це було з підвищеним значенням постійної Хаббла, що випливав у роки з астрономічних спостережень.

Порівнюючи вік Всесвіту в 2–4 млрд. років з оцінкою віку Землі – близько 4 млрд. років, – доводилося припускати, що Земля, Сонце та зірки утворилися з первинної речовини з уже готовим хімічним складом. Вважалося, що це склад не змінився скільки-небудь істотно, оскільки синтез елементів у зірках – процес повільний і його здійснення перед утворенням Землі та інших тіл не було часу.

Подальший перегляд шкали позагалактичних відстаней призвів і до перегляду віку Всесвіту. Теорія еволюції зірок успішно пояснює походження всіх важких елементів(важче гелію) їх нуклеосинтезом у зірках. Відпала необхідність пояснювати походження всіх елементів, включаючи і важкі, на ранній стадії розширення Всесвіту. Однак суть гіпотези гарячого Всесвіту виявилася вірною.

З іншого боку, вміст гелію в зірках та міжзоряному газі становить близько 30% за масою. Це набагато більше, ніж можна пояснити ядерними реакціями у зірках. Значить гелій, на відміну важких елементів, повинен синтезуватися на початку розширення Всесвіту, але при цьому – в обмеженій кількості.

Основна ідея теорії Гамова якраз і полягає в тому, що висока температура речовини перешкоджає перетворенню всієї речовини на гелій. У момент 0,1 с після початку розширення температура була близько 30 млрд. K. У такій гарячій речовині є багато фотонів великої енергії. Щільність та енергія фотонів настільки великі, що відбувається взаємодія світла зі світлом, що призводить до народження електронно-позитронних пар. Анігіляція пар може призводити до народження фотонів, а також до виникнення пар нейтрино і антинейтрино. У цьому «вирує котлі» знаходиться звичайна речовина. За дуже високих температур не можуть існувати складні атомні ядра. Вони були моментально розбиті оточуючими енергійними частинками. Тому важкі частинки речовини існують у вигляді нейтронів та протонів. Взаємодії з енергійними частинками змушують нейтрони та протони швидко перетворюватися один на одного. Однак реакції з'єднання нейтронів з протонами не йдуть, оскільки ядро ​​дейтерію, що виникає при цьому, відразу розбивається частинками великої енергії. Так, через велику температуру на самому початку обривається ланцюжок, що веде до утворення гелію.

Тільки коли Всесвіт, розширюючись, охолоджується до температури нижче мільярда кельвінів, деяка кількість дейтерію, що виникає, вже зберігається і призводить до синтезу гелію. Розрахунки показують, що температуру та щільність речовини можна узгодити так, щоб до цього моменту частка нейтронів у речовині становила близько 15% за масою. Ці нейтрони, поєднуючись з такою ж кількістю протонів, утворюють близько 30% гелію. Інші важкі частки залишилися як протонів – ядер атомів водню. Ядерні реакціїзакінчуються після перших п'яти хвилин після початку розширення Всесвіту. Надалі, у міру розширення Всесвіту, температура її речовини та випромінювання знижується. З робіт Гамова, Альфера і Хермана 1948 року випливало: якщо теорія гарячого Всесвіту передбачає виникнення 30% гелію і 70% водню як основних хімічних елементів природи, то сучасний Всесвітнеминуче повинна бути заповнена залишком (реліктом) первісного гарячого випромінювання, причому сучасна температура цього реліктового випромінювання повинна бути близько 5 K.

Проте на гіпотезі Гамова аналіз різних варіантів початку космологічного розширення закінчився. На початку 1960-х років дотепна спроба знову повернутися до холодного варіанту була здійснена Я.Б.Зельдовичем, які припустив, що початкова холодна речовина складалася з протонів, електронів і нейтрино. Як показав Зельдович, така суміш при розширенні перетворюється на чистий водень. Гелій та інші хімічні елементи, згідно з цією гіпотезою, синтезувалися пізніше, коли утворилися зірки. Зауважимо, що до цього моменту астрономи вже знали, що Всесвіт у кілька разів старший за Землю і більшість зірок, що оточують нас, а дані про велику кількість гелію в дозоряній речовині були в ті роки ще дуже невизначеними.

Здавалося б, вирішальним тестомдля вибору між холодною та гарячою моделями Всесвіту міг стати пошук реліктового випромінювання. Але чомусь довгі роки після пророкування Гамова та його колег ніхто свідомо не намагався виявити це випромінювання. Відкрито воно було випадково в 1965 радіофізиками з американської компанії «Белл» Р.Вілсоном і А.Пензіасом, нагородженими в 1978 Нобелівською премією.

На шляху виявлення реліктового випромінювання.

У 1960-х років астрофізики продовжували теоретично вивчати гарячу модель Всесвіту. Обчислення очікуваних характеристик реліктового випромінювання було виконано в 1964 А.Г.Дорошкевичем та І.Д.Новіковим у СРСР і незалежно Ф.Хойлом та Р.Дж.Тейлором у Великій Британії. Але ці роботи, як і попередні роботи Гамова з колегами, не привернули до себе уваги. А в них уже було переконливо показано, що реліктове випромінювання можна спостерігати. Незважаючи на крайню слабкість цього випромінювання в нашу епоху, воно, на щастя, лежить у галузі електромагнітного спектру, де всі інші космічні джерела в цілому випромінюють ще слабше. Тому цілеспрямований пошук реліктового випромінювання мав призвести до його відкриття, але радіоастрономи не знали про це.

Ось що сказав О.Пензіас у своїй нобелівській лекції: «Перше опубліковане визнання реліктового випромінювання як виявлене явище в радіодіапазоні з'явилося навесні 1964 року. короткій статтіА.Г.Дорошкевича та І.Д.Новікова, озаглавленої Середня щільністьвипромінювання в Метагалактиці та деякі питання релятивістської космології. Хоча англійський переклад з'явився того ж року, але дещо пізніше, у широко відомому журналі «Радянська фізика – Доповіді», стаття, мабуть, не привернула до себе уваги інших фахівців у цій галузі. У цій чудовій статті не лише виведено спектр реліктового випромінювання як чорнотільного. хвильового явища, але також чітко сконцентрована увага на двадцятифутовому рупорному рефлекторі лабораторії «Белл» у Кроуфорд-Хілл, як на найбільш підходящому інструменті для його виявлення!» (Цит. по: Шаров А.С., Новіков І.Д. Людина, яка відкрила вибух Всесвіту: Життя і працю Едвіна Хаббла. М., 1989).

На жаль, ця стаття залишилася непоміченою ні теоретиками, ні спостерігачами; вона стимулювала пошук реліктового випромінювання. Історики науки досі гадають, чому довгі роки ніхто не намагався свідомо шукати випромінювання гарячого Всесвіту. Цікаво, що повз це відкриття – одного з найбільших до 20 ст. - Вчені пройшли кілька разів, не помітивши його.

Наприклад, реліктове випромінювання могло бути відкрито ще 1941 року. Тоді канадський астроном Е. Мак-Келлар аналізував лінії поглинання, що викликаються в спектрі зірки Дзета Змієносця міжзоряними молекулами ціана. Він дійшов висновку, що ці лінії у видимій області спектру можуть виникати тільки при поглинанні світла молекулами ціана, що обертаються, причому їх обертання має збуджуватися випромінюванням з температурою близько 2,3 К. Звичайно, ніхто не міг подумати тоді, що збудження обертальних рівнів цих молекул викликається реліктовим випромінюванням. Лише після його відкриття в 1965 були опубліковані роботи І. С. Шкловського, Дж. Філда та ін, в яких показано, що порушення обертання міжзоряних молекул ціана, лінії яких чітко спостерігаються в спектрах багатьох зірок, викликане саме реліктовим випромінюванням.

Ще драматичніша історія відбулася в середині 1950-х років. Тоді молодий вчений Т.А.Шмаонов під керівництвом відомих радянських радіоастрономів С.Е.Хайкіна та Н.Л.Кайдановського провів вимірювання радіовипромінювання з космосу на довжині хвилі 32 см. Ці вимірювання були виконані за допомогою рупорної антени, подібної до тієї, яка була використана через багато років Пензіасом і Вілсоном. Шмаонов з усією ретельністю вивчив можливі перешкоди. Звичайно, у його розпорядженні тоді ще не було таких чутливих приймачів, які з'явилися згодом в американців. Результати виміру Шмаонова були опубліковані в 1957 р. у його кандидатській дисертації та в журналі «Прилади та техніка експерименту». Висновок із цих вимірів був такий: «Виявилося, що абсолютна величина ефективної температури радіовипромінювання фону... дорівнює 4 ± 3 К». Шмаонов відзначав незалежність інтенсивності випромінювання від напрямку на небі та від часу. Хоча помилки вимірювань були великі і говорити про будь-яку надійність цифри 4 не доводиться, тепер нам ясно, що Шмаонов вимірював саме реліктове випромінювання. На жаль, ні він сам, ні інші радіоастрономи нічого не знали про можливість існування реліктового випромінювання і не надали належного значення цим вимірам.

Нарешті, близько 1964 року до цієї проблеми свідомо підійшов відомий фізик-експериментатор із Прінстона (США) Роберт Дікке. Хоча його міркування ґрунтувалися на теорії «осцилюючого» Всесвіту, який багаторазово відчуває розширення і стиск, Дікке ясно розумів необхідність пошуку реліктового випромінювання. З його ініціативи на початку 1965 року молодий теоретик Ф.Дж.Е.Піблс провів необхідні обчислення, а П.Г.Ролл і Д.Т.Вілкінсон почали споруджувати маленьку низькошумну антену на даху Пальмерівської фізичної лабораторії в Прінстоні. Для пошуку фонового випромінювання не обов'язково використовувати великі радіотелескопи, оскільки випромінювання йде з усіх напрямків. Від того, що велика антена фокусує промінь на меншому майданчику піднебіння, нічого не виграється. Але гурт Дікке не встиг зробити заплановане відкриття: коли їхня апаратура вже була готова, їм залишалося лише підтвердити відкриття, напередодні випадково зроблене іншими.

Відкриття реліктового випромінювання.

У 1960 році в Кроуфорд-Хіллі, Холмдел (шт. Нью-Джерсі, США) була побудована антена для прийому радіосигналів, відбитих від супутника-балону «Эхо». До 1963 для роботи з супутником ця антена була вже не потрібна, і радіофізики Роберт Вудро Вілсон (р. 1936) та Арно Елан Пензіас (р. 1933) з лабораторії компанії "Белл телефон" вирішили використовувати її для радіоастрономічних спостережень. Антена була 20-футовий рупор. Разом з новітнім приймальним пристроєм цей радіотелескоп був на той час найчутливішим інструментом у світі для вимірювання радіохвиль, що надходять з широких майданчиківна небі. Насамперед передбачалося провести вимірювання радіовипромінювання міжзоряного середовищанашої Галактики на хвилі довжиною 7,35 см. Арно Пензіас і Роберт Вілсон не знали про теорію гарячого Всесвіту і не збиралися шукати реліктове випромінювання.

Для точного вимірювання радіовипромінювання Галактики необхідно було врахувати всі можливі перешкоди, що викликаються випромінюванням земної атмосфери та поверхні Землі, а також перешкоди, що виникають в антені, електричних ланцюгахта приймачах. Попередні випробування приймальної системи показали дещо більший шум, ніж очікувалося за розрахунками, але здавалося правдоподібним, що це пов'язано з невеликим надлишком шуму підсилювальних ланцюгах. Щоб позбавитися цих проблем, Пензіас і Вілсон використовували пристрій, відомий як «холодне навантаження»: сигнал, що приходить від антени, порівнюється з сигналом від штучного джерела, охолодженого рідким гелієм при температурі близько чотирьох градусів вище абсолютного нуля(4 К). В обох випадках електричний шум у підсилювальних ланцюгах повинен бути однаковим, і тому отримана при порівнянні різниця дає потужність сигналу, що йде від антени. Цей сигнал містить вклади лише від антенного пристрою, земної атмосфери та астрономічного джерела радіохвиль, що потрапляє у поле зору антени.

Пензіас і Вілсон очікували, що антенний пристрій даватиме дуже невеликий електричний шум. Однак, щоб перевірити це припущення, вони почали свої спостереження на порівняно коротких хвилях довжиною 7,35 см, на яких радіошум від Галактики повинен бути дуже малим. Звичайно, якийсь радіошум очікувався на такій довжині хвилі і від земної атмосфери, але цей шум повинен мати характерну залежність від напрямку: він повинен бути пропорційний товщині атмосфери в тому напрямку, в якому дивиться антена: трохи менше в напрямку зеніту, трохи більше напрямі горизонту. Очікувалося, що після віднімання атмосферного члена з характерною залежністювід напрямку не залишиться ніякого суттєвого сигналу від антени і це підтвердить, що електричний шум, що виробляється антеним пристроєм, дуже малий. Після цього можна буде розпочати вивчення самої Галактики на великих довжинах хвиль – близько 21 см, де випромінювання Чумацького Шляхумає цілком помітне значення. (Зазначимо, що радіохвилі з довжинами в сантиметри або дециметри, аж до 1 м, зазвичай називають «мікрохвильовим випромінюванням». Така назва дано тому, що ці довжини хвиль менші, ніж у ультракоротких хвиль, які використовували в радарах на початку Другої світової війни .)

На свій подив, Пензіас і Вілсон виявили навесні 1964, що вони приймають на довжині хвиль 7,35 см досить помітну кількість мікрохвильового шуму, що не залежить від напрямку. Вони виявили, що це «статичний фон» не змінюється в залежності часу доби, а пізніше виявили, що він не залежить і від пори року. Отже, це не могло бути випромінюванням Галактики, бо в цьому випадку його інтенсивність змінювалася б залежно від того, дивиться антена вздовж площини Чумацького Шляху чи впоперек. До того ж, якби це було випромінюванням нашої Галактики, то велика спіральна галактика М 31 в Андромеді, багато в чому схожа на нашу, теж мала б сильно випромінювати на хвилі 7,35 см, а цього не спостерігалося. Відсутність будь-яких варіацій мікрохвильового шуму, що спостерігається, з напрямком дуже серйозно вказувала на те, що ці радіохвилі, якщо вони дійсно існують, приходять не від Чумацького Шляху, а від значно більшого обсягу Всесвіту.

Дослідникам було ясно, що необхідно знову перевірити, чи не може сама антена робити більше електричного шуму, ніж очікувалося. Зокрема, було відомо, що в рупорі антени угнезділася пара голубів. Вони були спіймані, відправлені поштою на належну компанії «Белл» ділянку у Віпані, випущені на волю, знову виявлені кількома днями на своєму місці в антені, знову спіймані і нарешті втихомирені рішучішими засобами. Однак під час оренди приміщення голуби покрили нутро антени тим, що Пензіас назвав «білою діелектричною речовиною», яка за кімнатної температури могла бути джерелом електричного шуму. На початку 1965 був демонтований рупор антени і очищений весь бруд, проте це, як і всі інші хитрощі, дало дуже мале зменшення рівня шуму, що спостерігається.

Коли всі джерела перешкод були ретельно проаналізовані та враховані, Пензіас та Вілсон змушені були зробити висновок, що випромінювання приходить із космосу, причому з усіх боків з однаковою інтенсивністю. Виявилося, що простір випромінює так, ніби воно нагріте до температури 3,5 кельвіна (точніше, досягнута точність дозволяла зробити висновок, що «температура космосу» від 2,5 до 4,5 кельвіна). Необхідно зауважити, що це дуже тонкий експериментальний результат: наприклад, якщо перед рупором антени розташувати брикет морозива, то він сяяв би в радіодіапазоні, в 22 млн. разів яскравіший, ніж відповідна ділянка неба. Роздумуючи про несподіваний результат своїх спостережень, Пензіас і Вілсон не поспішали з публікацією. Але події розвивалися вже без їхньої волі.

Сталося так, що Пензіас зателефонував з приводу свого друга Бернарду Берку з Массачусетського. технологічного інституту. Незадовго до цього Берк чув від свого колеги Кена Тсрнера з Інституту Карнегі про доповідь, яку той, у свою чергу, чув в Університеті Джонса Хопкінса, зробленому теоретиком з Прінстона Філом Піблслм, який працював під керівництвом Роберта Дікке. У цій доповіді Піблс наводив аргументи на користь того, що повинен існувати фоновий радіошум, що залишився від раннього Всесвіту і має еквівалентну температуру близько 10 K.

Пензіас зателефонував Дікці, і обидві групи дослідників зустрілися. Роберту Дікке та його колегам Ф.Піблсу, П.Роллу та Д.Вілкінсону стало ясно, що А.Пензіас та Р.Вілсон виявили реліктове випромінювання гарячого Всесвіту. Вчені вирішили одночасно опублікувати два листи у престижному "Астрофізичному журналі" ("Astrophysical Journal"). Влітку 1965 були опубліковані обидві роботи: Пензіаса та Вілсона про відкриття реліктового випромінювання та Дікке з колегами – з його поясненням за допомогою теорії гарячого Всесвіту. Очевидно, не до кінця переконані в космологічній інтерпретації свого відкриття, Пензіас та Вілсон дали своїй замітці скромну назву: Вимір надмірної антеної температури на частоті 4080 МГц. Вони просто оголосили, що «вимірювання ефективної зенітної температури шуму... дали значення на 3,5 K вище, ніж очікувалося», і уникнули будь-яких згадок про космологію, за винятком фрази, що «можливе пояснення надмірної температури шуму, що спостерігається, дано Дікке, Піблсом , Роллом та Уїлкінсоном у супутньому листі в цьому ж випуску журналу».

У наступні роки на різних довжинах хвиль від десятків сантиметрів до частки міліметра було проведено численні виміри. Спостереження показали, що спектр реліктового випромінювання відповідає формулі Планка, як і має бути для випромінювання з певною температурою. Підтвердилося, що ця температура приблизно дорівнює 3K. чудове відкриття, що доводить, що Всесвіт на початку розширення був гарячим.

Таке складне переплетення подій, що завершилося відкриттям гарячого Всесвіту Пензіасом і Вілсоном в 1965. Встановлення факту надвисокої температури на початку розширення Всесвіту стало відправною точкою найважливіших досліджень, що ведуть до розкриття таємниць не тільки астрофізичних, а й таємниць будови матерії.

Найбільш точні виміри реліктового випромінювання проведені з космосу: це експеримент «Релікт» на радянському супутнику «Прогноз-9» (1983–1984) та експеримент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американському супутнику COBE (Cosmic Background Explorer, лист. 99–1989) останній дозволив найточніше визначити температуру реліктового випромінювання: 2,725 ± 0,002 K.

Мікрохвильовий фон як "новий ефір".

Отже, спектр реліктового випромінювання з дуже високою точністювідповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла (тобто описується формулою Планка) з температурою Т = 2,73 К. Однак спостерігаються невеликі (близько 0,1%) відхилення від цієї середньої температури залежно від того, в якому напрямку на небі проводиться вимірювання . Справа в тому, що реліктове випромінювання ізотропне лише в системі координат, пов'язаної з усією системою галактик, що розбігаються, в так званій «супутній системі відліку», яка розширюється разом із Всесвітом. У будь-якій іншій системі координат інтенсивність випромінювання залежить від напрямку. В першу чергу це викликано рухом вимірювального приладу щодо реліктового випромінювання: ефект Доплера призводить до «посинення» фотонів, що летять назустріч приладу, і до «почервоніння» фотонів, що наздоганяють його.

При цьому виміряна температура порівняно із середньою (Т 0) залежить від напрямку руху: T = T 0 (1 + (v/c) cos i), де v - швидкість приладу в системі координат, пов'язаної з реліктовим випромінюванням; c – швидкість світла, i– кут між вектором швидкості та напрямом спостереження. На тлі однорідного розподілу температури з'являється два «полюси» – теплий у напрямку руху та прохолодний у протилежному напрямку. Тому таке відхилення від однорідності називають "дипольним". Дипольна складова в розподілі реліктового випромінювання була виявлена ​​ще при наземних спостереженнях: у напрямку на сузір'я Лева температура цього випромінювання виявилася на 3,5 мК вище за середню, а в протилежному напрямку (сузір'я Водолія) на стільки ж нижче за середню. Отже, ми рухаємось щодо реліктового випромінювання зі швидкістю близько 400 км/с. Точність вимірів виявилася настільки високою, що виявилися навіть річні варіації дипольної складової, викликані зверненням Землі навколо Сонця зі швидкістю 30 км/с.

Вимірювання з штучних супутниківЗемлі суттєво уточнили ці дані. За даними COBE, після обліку орбітального руху Землі виходить, що Сонячна система рухається так, що амплітуда дипольної складової температури реліктового випромінювання DT = 3,35 мК; це відповідає швидкості руху V = 366 км/с. Рухається Сонце щодо випромінювання у напрямку кордону сузір'їв Лева та Чаші, до точки з екваторіальними координатами a = 11 h 12 m і d = -7,1 ° (епоха J2000); що відповідає галактичним координатам l = 264,26 ° і b = 48,22 °. Облік руху самого Сонця в Галактиці показує, що щодо всіх галактик Місцевої групи Сонце рухається зі швидкістю 316±5 км/с у напрямку l 0 = 93 ± 2° і b 0 = -4 ± 2 °. Тому рух самої Місцевої групи щодо реліктового випромінювання відбувається зі швидкістю 635 км/с у напрямку до l= 269 ° і b= +29 °. Це приблизно під кутом 45° щодо направлення на центр скупчення галактик у Діві (Virgo).

Вивчення рухів галактик у значно більшому масштабі показує, що сукупність найближчих скупчень галактик (119 скупчень з каталогу Абеля не більше 200 Мпк від нас) рухається як ціле щодо реліктового випромінювання зі швидкістю близько 700 км/с. Таким чином, наше околиця Всесвіту пливе в море реліктового випромінювання з помітною швидкістю. Астрофізики неодноразово звертали увагу на те, що сам факт існування реліктового випромінювання та пов'язаної з ним виділеної системи відліку відводить цьому випромінюванню роль «нового ефіру». Але нічого містичного в цьому немає: все фізичні виміриу цій системі відліку еквівалентні вимірюванням у будь-якій іншій інерційної системивідліку. (Обговорення проблеми «нового ефіру» у зв'язку із принципом Маха можна знайти у книзі: Зельдович Я.Б., Новіков І.Д. Будова та еволюція Всесвіту.М., 1975).

Анізотропія реліктового випромінювання.

Температура реліктового випромінювання є лише одним із його параметрів, що описують ранній Всесвіт. У властивостях цього випромінювання збереглися інші явні сліди дуже ранньої епохиеволюції нашого світу. Астрофізики знаходять ці сліди, аналізуючи спектр та просторову неоднорідність (анізотропію) реліктового випромінювання.

Згідно з теорією гарячого Всесвіту, через приблизно 300 тис. років після початку розширення температура речовини і пов'язаного з ним випромінювання зменшилася до 4000 К. При цій температурі фотони вже не могли іонізувати атоми водню і гелію. Тому в ту епоху, що відповідає червоному зміщенню z = 1400, відбулася рекомбінація гарячої плазми, внаслідок якої плазма перетворилася на нейтральний газ. Тоді ще жодних галактик та зірок, звичайно, не було. Вони з'явилися значно пізніше.

Ставши нейтральним, що заповнює Всесвіт газ виявився практично прозорим для реліктового випромінювання (хоча в ту епоху це були не радіохвилі, а світло видимого та близького інфрачервоного діапазонів). Тому стародавнє випромінювання майже безперешкодно доходить до нас із глибин простору та часу. Але все ж таки шляхом він відчуває деякі впливи і як археологічна пам'ятканесе у собі сліди історичних подій.

Наприклад, в епоху рекомбінації атоми випускали багато фотонів з енергією близько 10 ев, що в десятки разів перевищує середню енергіюфотонів рівноважного випромінювання тієї епохи (при T = 4000 К таких енергійних фотонів вкрай мало, близько однієї мільярдної частки від них загальної кількості). Тому рекомбінаційне випромінювання мало б сильно спотворити планківський спектр реліктового випромінювання в діапазоні довжин хвиль близько 250 мкм. Щоправда, розрахунки показали, що сильна взаємодія випромінювання з речовиною призведе до того, що енергія, що виділилася, в основному «розсмокчеться» по широкій області спектру і не сильно його спотворить, але майбутні точні вимірювання зможуть помітити і це спотворення.

А значно пізніше, в епоху формування галактик і першого покоління зірок (при z ~ 10), коли величезна маса вже майже остиглої речовини знову зазнала значного нагрівання, спектр реліктового випромінювання знову міг змінитися, оскільки, розсіюючись на гарячих електронах, низькоенергійні фотони збільшують свою енергію. (Так званий «зворотний ефект Комптону»). Обидва описані вище ефекти спотворюють спектр реліктового випромінювання в його короткохвильовій ділянці, яка поки що найменш досліджена.

Хоча у нашу епоху більша частиназвичайної речовини щільно упакована в зірках, а ті в галактиках, все ж таки поблизу нас реліктове випромінювання може випробувати помітне спотворення спектра в тому випадку, якщо його промені по дорозі до Землі проходять крізь велике скупчення галактик. Зазвичай такі скупчення заповнені розрідженим, але дуже гарячим міжгалактичним газом, що має температуру близько 100 млн К. Розсіюючись на швидких електронах цього газу, низькоенергічні фотони збільшують свою енергію (все той же зворотний комптон ефект) і переходять з низькочастотної, релей-джинсівської області у високочастотну, винну область. Цей ефект було передбачено Р.А.Сюняевим і Я.Б.Зельдовичем і виявлено радіоастрономами у бік багатьох скупчень галактик як зниження температури випромінювання в релей-джинсовской області діапазону на 1–3 мК. Ефект Сюняєва – Зельдовича було відкрито першим серед ефектів, створюють анізотропію реліктового випромінювання. Порівняння його величини з рентгенівською світністю скупчень галактик дозволило незалежно визначити постійну Хаббла (H = 60 ± 12 км/с/Мпк).

Повернемося до епохи рекомбінації. У віці менше 300 000 років Всесвіт був майже однорідною плазмою, що здригалася від звукових, а точніше - інфразвукових хвиль. Розрахунки космологів кажуть, що ці хвилі стиснення та розширення речовини генерували в непрозорій плазмі також коливання щільності випромінювання, і тому нині вони повинні виявлятися у вигляді трохи помітного «зибу» у майже однорідному реліктовому випромінюванні. Тому сьогодні воно має приходити на Землю з різних боків із трохи різною інтенсивністю. В даному випадку йдеться не про тривіальну дипольну анізотропію, викликану рухом спостерігача, а про варіації інтенсивності, що дійсно властиві самому випромінюванню. Їхня амплітуда має бути вкрай мала: приблизно одна стотисячна частка самої температури випромінювання, тобто. порядку 0,00003 К. Їх дуже важко виміряти. Перші спроби визначити величини цих малих флуктуацій в залежності від напрямку на небі були зроблені відразу після відкриття самого реліктового випромінювання в 1965 році. У нашій країні такі виміри були проведені в експерименті «Релікт», але впевненіше ці малі флуктуації були зареєстровані з американського супутника COBE (рис. 1).

Останнім часом проводиться та планується багато експериментів щодо вимірювання амплітуди флуктуацій реліктового випромінювання у різних кутових масштабах – від градусів до секунд дуги. Різні фізичні явища, що відбувалися в перші миті життя Всесвіту, повинні були залишити свій характерний відбиток у випромінюванні, що приходить до нас. Теорія передбачає певну залежність між розмірами холодних і гарячих плям в інтенсивності реліктового випромінювання та їхньою відносною яскравістю. Залежність дуже своєрідна: у ній міститься інформація про процеси народження Всесвіту, про те, що відбувалося відразу після народження, а також про параметри сьогоднішнього Всесвіту.

Кутовий дозвіл перших спостережень – в експериментах «Релікт-2 і COBE – був дуже поганий, приблизно 7°, тому інформація про флуктуації реліктового випромінювання була неповною. У наступні роки такі ж спостереження проводилися за допомогою як наземних радіотелескопів (у нашій країні для цієї мети використовується інструмент РАТАН-600 із незаповненою апертурою діаметром 600 м), так і радіотелескопів, що піднімалися на повітряних куляху верхні шари атмосфери.

Принциповим кроком у дослідженні анізотропії реліктового випромінювання став експеримент «Бумеранг» (BOOMERANG), виконаний вченими США, Канади, Італії, Англії та Франції за допомогою безпілотного аеростату НАСА (США) об'ємом 1 млн кубометрів, який з 29 грудня 1998 по 9 січня коло на висоті 37 км навколо Південного полюса і, пролетівши близько 10 тис. км, скинув гондолу з приладами на парашуті за 50 км від місця старту. Спостереження проводилися субміліметровим телескопом з головним дзеркалом діаметром 1,2 м, у фокусі якого розміщувалася охолоджена до 0,28 K система болометрів, що вимірювала фон у чотирьох частотних каналах (90, 150, 240 і 400 ГГц) з кутовим дозволом 3 градуси. За час польоту спостереженнями було покрито близько 3% небесної сфери.

Зареєстровані в експерименті «Бумеранг» температурні неоднорідності реліктового випромінювання з характерною амплітудою 0,0001 До підтвердили правильність «акустичної» моделі та показали, що чотиривимірну просторово-часову геометрію Всесвіт можна вважати плоскою. Отримана інформація дозволила також судити і про склад Всесвіту: підтвердилося, що звичайна баріонна речовина, з якої складаються зірки, планети та міжзоряний газ, становить близько 4% маси; а решту 96% укладено у невідомих поки що формах матерії.

Експеримент «Бумеранг» був чудово доповнений подібним до нього експериментом MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), в основному виконаним вченими США та Італії. Їхня апаратура, що літала в стратосферу в серпні 1998 і в червні 1999, досліджувала менше 1% небесної сфери, але з високим кутовим роздільною здатністю: близько 5". Аеростат здійснював нічні польоти над континентальною частиною США. Головне дзеркало телескопа мало діаметр 1,3. Приймальна частина апаратури складалася з 16 детекторів, що покривали 3 частотні діапазони.Вторинні дзеркала охолоджувалися до кріогенної температури, а болометри - навіть до 0,1 K. низьку температурувдавалося підтримувати до 40 годин, що й обмежувалася тривалість польоту.

Експеримент MAXIMA виявив дрібну «зиб» у кутовому розподілі температури реліктового випромінювання. Його дані були доповнені спостереженнями наземної обсерваторії за допомогою інтерферометра DASI (Degree Angular Scale Interferometer), встановленого радіоастрономами університету Чикаго (США) на Південний полюс. Цей 13-елементний кріогенний інтерферометр спостерігав у десяти частотних каналах у діапазоні 26–36 ГГц і виявив ще дрібніші флуктуації реліктового випромінювання, причому залежність їхньої амплітуди від кутового розміру добре підтверджує теорію акустичних коливань, успадкованих від молодих.

Крім вимірювань інтенсивності реліктового випромінювання із Землі, плануються і космічні експерименти. У 2007 році передбачається запустити в космос радіотелескоп «Planck» (Європейське космічне агентство). Його кутовий дозвіл буде істотно вищим, а чутливість приблизно в 30 разів краща, ніж в експерименті COBE. Тому астрофізики сподіваються, що багато фактів про початок існування нашого Всесвіту буде з'ясовано (див. рис. 1).

Володимир Сурдін

Література:

Зельдович Я.Б., Новіков І.Д. Будова та еволюція Всесвіту. М., 1975
Космологія: теорія та спостереження. М., 1978
Вайнберг. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981
Сілк Дж. Великий вибух. Народження та еволюція Всесвіту. М., 1982
Сюня Р.А. Мікрохвильове фонове випромінювання. - У кн.: Фізика космосу: Маленька енциклопедія. М., 1986
Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космологія раннього Всесвіту. М., 1988
Новіков І.Д. Еволюція Всесвіту. М., 1990