Ánh sáng di tích. Bức xạ phông vi sóng vũ trụ hữu ích như thế nào? Bức xạ di động nói lên tính đồng nhất của vũ trụ

Một trong khám phá thú vị liên kết với phổ điện từ là bức xạ nền vũ trụ. Nó được phát hiện một cách tình cờ, mặc dù khả năng tồn tại của nó đã được dự đoán trước.

Lịch sử phát hiện ra bức xạ di tích

Lịch sử khám phá bức xạ di tích bắt đầu vào năm 1964. Nhân viên phòng thí nghiệm Mỹ Chuông điện thoạiđã phát triển một hệ thống liên lạc bằng cách sử dụng một vệ tinh Trái đất nhân tạo. Hệ thống này được cho là hoạt động trên những con sóng có chiều dài 7,5 cm. Những sóng ngắn như vậy liên quan đến thông tin liên lạc vô tuyến vệ tinh có một số ưu điểm, nhưng lên đến Arno Penzias và Robert Wilson không ai đã giải quyết vấn đề này.

Họ là những người đi tiên phong trong lĩnh vực này và phải đảm bảo rằng không có nhiễu sóng mạnh trên cùng một bước sóng, hoặc các nhân viên truyền thông đã biết trước về sự can thiệp đó. Vào thời điểm đó, người ta tin rằng chỉ những vật thể trỏ như thiên hà vô tuyến hoặc các ngôi sao.

Nguồn sóng vô tuyến

Các nhà khoa học đã sử dụng một máy thu cực kỳ chính xác và một ăng ten sừng quay. Với sự giúp đỡ của họ, các nhà khoa học có thể lắng nghe toàn bộ hầm thiên đường tương tự như cách bác sĩ lắng nghe lồng ngực của bệnh nhân bằng ống nghe.

Tín hiệu nguồn tự nhiên

Và ngay sau khi ăng-ten được hướng vào một trong những điểm của bầu trời, một đường cong nhảy múa trên màn hình máy hiện sóng. Đặc trưng dấu hiệu nguồn tự nhiên . Có lẽ, các chuyên gia đã rất ngạc nhiên về sự may mắn của họ: tại điểm đo đầu tiên - một nguồn phát xạ vô tuyến!

Nhưng bất cứ nơi nào họ hướng ăng-ten của họ, hiệu ứng vẫn như nhau. Các nhà khoa học lặp đi lặp lại kiểm tra tình trạng của thiết bị, nhưng nó ở theo thứ tự hoàn hảo. Và cuối cùng, họ nhận ra rằng họ đã phát hiện ra một hiện tượng tự nhiên chưa từng được biết đến trước đây: toàn bộ vũ trụ, như nó vốn có, chứa đầy sóng vô tuyến dài hàng cm.

Nếu chúng ta có thể nhìn thấy sóng vô tuyến, phần cứng sẽ xuất hiện với chúng ta sáng từ mép này sang mép kia.

Phát hiện của Penzias và Wilson đã được công bố. Và không chỉ họ, mà cả các nhà khoa học từ nhiều quốc gia khác cũng bắt đầu tìm kiếm các nguồn phát sóng vô tuyến bí ẩn được bắt bởi tất cả các ăng-ten và máy thu thích hợp cho mục đích này, dù họ ở đâu và bất kể điểm nào trên bầu trời họ nhắm tới, và cường độ phát xạ rađiô có bước sóng 7,5 xentimét tại bất kỳ điểm nào hoàn toàn giống nhau, dường như nó được trải đều trên bầu trời.

Bức xạ CMB do các nhà khoa học tính toán

Các nhà khoa học Liên Xô A. G. Doroshkevich và I. D. Novikov, những người đã dự đoán bức xạ nền trước khi khai mạc đã thực hiện những phép tính khó nhất.. Họ đã tính đến tất cả các nguồn bức xạ có trong Vũ trụ của chúng ta, và tính đến cách bức xạ của một số vật thể thay đổi theo thời gian. Và hóa ra là trong vùng sóng centimet, tất cả những bức xạ này là tối thiểu và do đó, chúng không chịu trách nhiệm về sự phát sáng của bầu trời được phát hiện.

Trong khi đó, các tính toán sâu hơn cho thấy mật độ của bức xạ bị bôi nhọ là rất cao. Dưới đây là sự so sánh giữa thạch photon (như các nhà khoa học gọi là bức xạ bí ẩn) với khối lượng của mọi vật chất trong vũ trụ.

Nếu tất cả vật chất của tất cả các Thiên hà có thể nhìn thấy được "bôi bẩn" đồng đều trên toàn bộ không gian của Vũ trụ, thì sẽ chỉ có một nguyên tử hydro trên ba mét khối không gian (để đơn giản, chúng ta sẽ coi tất cả vật chất của các ngôi sao là hydro) . Đồng thời, mỗi cm khối của không gian thực chứa khoảng 500 photon bức xạ.

Rất nhiều, ngay cả khi chúng ta so sánh không phải số lượng đơn vị vật chất và bức xạ, mà là trực tiếp khối lượng của chúng. Bức xạ cường độ cao như vậy đến từ đâu?

Vào một thời gian, nhà khoa học Xô Viết A. A. Fridman, khi giải các phương trình nổi tiếng của Einstein, đã phát hiện ra rằng vũ trụ của chúng ta đang giãn nở liên tục. Ngay sau đó xác nhận về điều này đã được tìm thấy.

Người Mỹ E. Hubble đã phát hiện ra sự suy thoái của các thiên hà. Ngoại suy hiện tượng này vào quá khứ, người ta có thể tính được thời điểm mà tất cả vật chất trong Vũ trụ ở thể tích rất nhỏ và mật độ của nó lớn hơn bây giờ một cách vô song. Trong quá trình mở rộng của Vũ trụ, sự kéo dài bước sóng của mỗi lượng tử cũng xảy ra tương ứng với sự giãn nở của Vũ trụ; trong trường hợp này, lượng tử, như nó vốn có, "nguội đi" - xét cho cùng, bước sóng càng ngắn
lượng tử, nó càng "nóng".

Bức xạ cm ngày nay có nhiệt độ sáng khoảng 3 độ Kelvin tuyệt đối. Và mười tỷ năm trước, khi Vũ trụ nhỏ hơn không thể so sánh được, và mật độ vật chất của nó rất cao, những lượng tử này có nhiệt độ khoảng 10 tỷ độ.

Kể từ đó, Vũ trụ của chúng ta đã được "lấp đầy" bởi các lượng tử bức xạ làm lạnh liên tục. Đó là lý do tại sao phát xạ vô tuyến centimet "bị bôi bẩn" trên Vũ trụ có tên
bức xạ di tích.

di tích, như bạn đã biết, được gọi là di tích của những loài động vật và thực vật cổ xưa nhất còn tồn tại cho đến ngày nay. Lượng tử bức xạ centimét cho đến nay là cổ nhất trong số tất cả các di tích có thể có. Xét cho cùng, sự hình thành của chúng thuộc về kỷ nguyên cách chúng ta khoảng 15 tỷ năm.

Kiến thức về vũ trụ mang lại bức xạ phông vi sóng vũ trụ

Hầu như không thể nói gì về vật chất ở thời điểm 0, khi mật độ của nó cao vô hạn. Nhưng các hiện tượng và quá trình diễn ra trong Vũ trụ, chỉ một giây sau khi cô sinh ra và thậm chí sớm hơn, lên đến 10 ~ 8 giây, các nhà khoa học đã hiểu khá rõ. Thông tin về điều này được cung cấp bởi bức xạ nền.

Vì vậy, một giây đã trôi qua kể từ thời điểm số không. Vật chất trong Vũ trụ của chúng ta có nhiệt độ 10 tỷ độ và bao gồm một loại "cháo" lượng tử di tích, điện cực, positron, neutrino và phản neutrino. Mật độ của "cháo" rất lớn - hơn một tấn cho mỗi xăng-ti-mét khối. Trong sự "chật chội" như vậy các va chạm của neutron và positron với electron liên tục xảy ra, proton biến thành neutron và ngược lại.

Nhưng trên hết tất cả đều có lượng tử ở đây - nhiều hơn 100 triệu lần so với neutron và proton. Tất nhiên, ở mật độ và nhiệt độ như vậy, không có hạt nhân phức tạp nào của vật chất có thể tồn tại: chúng không phân rã ở đây.

Một trăm giây đã trôi qua. Sự giãn nở của vũ trụ tiếp tục, mật độ của nó liên tục giảm, nhiệt độ giảm xuống. Positron gần như biến mất, neutron biến thành proton.

Sự hình thành hạt nhân nguyên tử của hydro và heli bắt đầu. Các tính toán do các nhà khoa học thực hiện cho thấy 30% số neutron kết hợp để tạo thành hạt nhân heli, trong khi 70% trong số chúng còn lại một mình, trở thành hạt nhân hydro. Trong quá trình của những phản ứng này, các lượng tử mới xuất hiện, nhưng số lượng của chúng không còn có thể so sánh với ban đầu, vì vậy chúng ta có thể cho rằng nó không thay đổi chút nào.

Sự giãn nở của vũ trụ vẫn tiếp tục. Mật độ của "cháo", được ủ dốc theo bản chất lúc đầu, đã giảm tỷ lệ với khối của khoảng cách tuyến tính. Nhiều năm, nhiều thế kỷ, nhiều thiên niên kỷ trôi qua.

3 triệu năm đã trôi qua. Nhiệt độ của “nồi cháo” vào thời điểm đó đã giảm xuống còn 3-4 nghìn độ, mật độ của chất cũng gần bằng mật độ mà chúng ta biết đến ngày nay, tuy nhiên, các cục vật chất mà từ đó các ngôi sao và thiên hà có thể hình thành vẫn chưa thể hình thành. Vào thời điểm đó, áp suất bức xạ quá lớn, đẩy bất kỳ sự hình thành nào như vậy ra xa nhau. Ngay cả các nguyên tử của heli và hydro vẫn bị ion hóa: electron tồn tại riêng biệt, proton và hạt nhân nguyên tử - cũng riêng biệt.

Chỉ đến cuối giai đoạn ba triệu năm, những chất đặc đầu tiên mới bắt đầu xuất hiện trong "cháo" nguội. Ban đầu có rất ít người trong số họ. Ngay sau khi một phần nghìn "cháo" đặc lại thành các tiền sao kỳ dị, các thành tạo này bắt đầu "bốc cháy" tương tự như các ngôi sao hiện đại.

Và các photon và lượng tử năng lượng do chúng phát ra đã hâm nóng “nồi cháo” đã bắt đầu nguội dần đến nhiệt độ mà tại đó, việc hình thành các điểm ngưng tụ mới một lần nữa hóa ra là không thể.

Các giai đoạn làm nguội và hâm nóng "cháo" bởi sự bùng phát của các tiền sao xen kẽ, thay thế cho nhau. Và đến một giai đoạn nào đó của sự giãn nở của Vũ trụ, việc hình thành các khối mới trên thực tế đã trở nên không thể thực hiện được, nếu chỉ vì “cháo” đặc một thời đã quá “loãng”.

Khoảng 5 phần trăm vật chất cố kết lại với nhau, và 95 phần trăm phân tán trong không gian của Vũ trụ đang giãn nở. Đây là cách mà lượng tử nóng một thời, hình thành nên bức xạ di tích, cũng "phân tán". Đây là cách các hạt nhân của nguyên tử hydro và heli, vốn là một phần của "cháo", phân tán.

Giả thuyết về sự hình thành của vũ trụ

Các hệ hành tinh được hình thành xung quanh một số ngôi sao này, ít nhất là trên một trong những hành tinh này, đã nảy sinh sự sống, trong quá trình tiến hóa đã phát sinh ra trí thông minh. Các nhà khoa học vẫn chưa biết các ngôi sao thường được tìm thấy như thế nào trong không gian rộng lớn, được bao quanh bởi một vũ điệu tròn của các hành tinh. Họ cũng không thể nói bất cứ điều gì về mức độ thường xuyên.

Và câu hỏi làm thế nào để cây sống nở hoa tươi tốt trong tâm trí vẫn còn bỏ ngỏ. Những giả thuyết mà chúng ta đã biết ngày nay đối xử với tất cả những câu hỏi này giống như những phỏng đoán không có cơ sở.

Nhưng ngày nay khoa học phát triển như một trận tuyết lở. Gần đây hơn, các nhà khoa học không biết chúng ta bắt đầu như thế nào. Bức xạ di tích, được phát hiện cách đây khoảng 70 năm, đã khiến người ta có thể vẽ ra bức tranh đó. Ngày nay, nhân loại thiếu các dữ kiện, dựa vào đó có thể trả lời các câu hỏi đã nêu ở trên.

Thâm nhập vào không gian vũ trụ, thăm Mặt trăng và các hành tinh khác, mang đến những sự thật mới. Và các sự kiện không còn được theo sau bởi các giả thuyết, mà là các kết luận chặt chẽ.

Bức xạ di động nói lên tính đồng nhất của vũ trụ

Những tia di tích, những nhân chứng về sự ra đời của Vũ trụ, đã nói với các nhà khoa học điều gì khác?

A. A. Fridman đã giải một trong những phương trình do Einstein đưa ra, và trên cơ sở của lời giải này, phát hiện ra sự giãn nở của Vũ trụ. Để giải các phương trình Einstein, cần phải đặt cái gọi là điều kiện ban đầu.

Friedman tiếp tục giả định rằng Vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng, nghĩa là vật chất được phân bố đều trong đó. Và trong vòng 5-10 năm trôi qua kể từ khi Friedman phát hiện ra, câu hỏi liệu giả thiết này có đúng hay không vẫn còn bỏ ngỏ.

Về cơ bản, nó đã bị loại bỏ. Tính đẳng hướng của Vũ trụ được chứng minh bằng sự đồng đều đáng kinh ngạc của sự phát xạ vô tuyến điện. Sự thật thứ hai chứng minh điều tương tự - sự phân bố vật chất của Vũ trụ giữa các Thiên hà và khí giữa các thiên hà.

Rốt cuộc, khí giữa các thiên hà, tạo nên phần chính của vật chất trong Vũ trụ, được phân bố trên nó một cách đồng đều như lượng tử phụ thuộc..

Việc phát hiện ra bức xạ di tích giúp chúng ta có thể không chỉ nhìn vào quá khứ cực xa - vượt quá giới hạn thời gian khi không có Trái đất, Mặt trời, Thiên hà của chúng ta, thậm chí cả Vũ trụ.

Giống như một kính thiên văn tuyệt vời có thể hướng về bất kỳ hướng nào, việc khám phá ra nền vi sóng vũ trụ cho phép bạn nhìn vào tương lai cực xa. Một khoảng cực xa như vậy, khi sẽ không có Trái đất, không có Mặt trời, không có Thiên hà.

Hiện tượng giãn nở của Vũ trụ sẽ giúp ích ở đây, khi các ngôi sao tạo nên nó, Các thiên hà, các đám mây bụi và khí phân tán trong không gian. Quá trình này có vĩnh cửu không? Hay việc mở rộng sẽ chậm lại, dừng lại và sau đó được thay thế bằng nén? Và không phải sự co lại và mở rộng liên tiếp của Vũ trụ là một dạng xung của vật chất, không thể phá hủy được
và vĩnh cửu?

Câu trả lời cho những câu hỏi này chủ yếu phụ thuộc vào lượng vật chất chứa trong vũ trụ. Nếu lực hấp dẫn chung của nó đủ để thắng quán tính của sự giãn nở, thì sự giãn nở chắc chắn sẽ được thay thế bằng sự co lại, trong đó các Thiên hà sẽ dần dần tiến lại gần nhau. Chà, nếu lực hấp dẫn không đủ để làm chậm lại và vượt qua quán tính của quá trình giãn nở, thì Vũ trụ của chúng ta sẽ diệt vong: nó sẽ tan biến trong không gian!

Bức xạ CMB-rộng mênh mông bức xạ điện từ có tính đẳng hướng cao và với quang phổ đặc trưng của vật đen có nhiệt độ không? 2.725 K. Bức xạ CMB được G. Gamow, R. Alfer và R. Herman dự đoán vào năm 1948 trên cơ sở lý thuyết Vụ nổ lớn đầu tiên mà họ tạo ra. Alfer và Herman đã có thể thiết lập rằng nhiệt độ của nền vi sóng vũ trụ phải là 5 K và Gamow đã đưa ra dự đoán trong 3 K. Mặc dù một số ước tính về nhiệt độ của không gian đã tồn tại trước đây, nhưng chúng có một số nhược điểm. Thứ nhất, đây chỉ là các phép đo nhiệt độ hiệu dụng của không gian, không thể giả định rằng phổ bức xạ tuân theo định luật Planck. Thứ hai, chúng phụ thuộc vào vị trí đặc biệt của chúng ta ở rìa Thiên hà và không cho rằng bức xạ là đẳng hướng. Hơn nữa, chúng sẽ cho kết quả hoàn toàn khác nếu Trái đất ở một nơi nào đó khác trong vũ trụ. Bản thân G. Gamow cũng như nhiều tín đồ của ông đều không đặt ra câu hỏi về việc thử nghiệm phát hiện bức xạ di tích. Rõ ràng, họ tin rằng bức xạ này không thể bị phát hiện, vì nó "chìm" trong các dòng năng lượng do bức xạ của các ngôi sao và tia vũ trụ mang đến trái đất.

Tính toán của A.G. Doroshkevich và I.D. Novikov, được thực hiện theo đề nghị của Ya.B. Zeldovich vào năm 1964, tức là một năm trước khi A. Pepzias và R. Wilson phát hiện ra.

Năm 1965, Arno Penzias và Robert Woodrow Wilson đã chế tạo máy đo bức xạ Dicke, họ dự định sử dụng không phải cho các cuộc tìm kiếm CMB, mà cho các thí nghiệm trong thiên văn vô tuyến và thông tin liên lạc qua vệ tinh. Khi hiệu chỉnh thiết bị, hóa ra ăng-ten có nhiệt độ vượt quá 3,5 K mà họ không thể giải thích. Một nền tiếng ồn nhỏ không thay đổi theo hướng hoặc từ thời điểm làm việc. Lúc đầu, họ quyết định rằng đây là tiếng ồn vốn có trong thiết bị. Kính viễn vọng vô tuyến đã được tháo dỡ, và việc "nhồi" của nó đã được thử nghiệm lại nhiều lần. Niềm tự hào của các kỹ sư đã bị tổn hại, và do đó, việc kiểm tra đã đi đến chi tiết cuối cùng, đến lần hàn cuối cùng. Đã loại bỏ mọi thứ. Tập hợp lại - tiếng ồn lại tiếp tục. Sau nhiều suy nghĩ, các nhà lý thuyết đi đến kết luận rằng bức xạ này không thể là một nền phát xạ vô tuyến vũ trụ liên tục lấp đầy Vũ trụ với một dòng đều. Khi nhận được cuộc gọi từ Holdmdale, Dicke đã châm biếm, "Chúng ta trúng số độc đắc rồi, các bạn." Một cuộc họp giữa nhóm Princeton và Holmdale đã xác định rằng nhiệt độ ăng-ten này là do CMB gây ra. Các nhà vật lý thiên văn đã tính toán rằng tiếng ồn tương ứng với nhiệt độ khoảng 3 độ Kelvin và “được nghe thấy ở các tần số khác nhau. Năm 1978, Penzias và Wilson nhận giải Nobel cho khám phá của họ. Người ta có thể tưởng tượng những người ủng hộ người mẫu "nóng bỏng" đã vui mừng như thế nào khi thông điệp này đến. Phát hiện này không chỉ củng cố vị thế của người mẫu "hot". Bức xạ di tích làm cho nó có thể đi xuống từ bước thời gian chuẩn tinh (8 - 10 tỷ năm) đến bước tương ứng với 300 nghìn năm kể từ lúc "sơ khai". Đồng thời, ý tưởng được khẳng định rằng Vũ trụ đã từng có mật độ cao gấp một tỷ lần so với hiện tại. Biết rằng một chất bị nung nóng luôn phát ra phôtôn. Theo quy luật chung của nhiệt động lực học, đây là biểu hiện của mong muốn đạt được trạng thái cân bằng mà tại đó bão hòa: sự ra đời của các photon mới được bù đắp bằng quá trình ngược lại, sự hấp thụ của các photon bởi vật chất, do đó tổng số photon trong môi trường không thay đổi. "Khí photon" này lấp đầy toàn bộ vũ trụ. Nhiệt độ của khí photon gần bằng độ không tuyệt đối - khoảng 3 kelvins, nhưng năng lượng chứa trong nó lớn hơn năng lượng ánh sáng do tất cả các ngôi sao phát ra trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Đối với mỗi centimet khối không gian trong Vũ trụ, có khoảng năm trăm lượng tử bức xạ, và tổng số photon trong Vũ trụ khả kiến ​​lớn hơn vài tỷ lần. số đầy đủ các hạt vật chất, tức là nguyên tử, hạt nhân, electron tạo nên hành tinh, ngôi sao và thiên hà. Bức xạ nền chung này của vũ trụ được gọi là nhẹ tay LÀ. Shklovsky, di tích, tức là còn lại, là một chất cặn bã, một di tích dày đặc và nóng trạng thái ban đầu Vũ trụ. Giả sử rằng chất vũ trụ sơ khai là nóng, G. Gamow dự đoán rằng các photon, lúc đó ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học với vật chất, nên được bảo toàn trong kỷ nguyên hiện đại. Các photon này được phát hiện trực tiếp vào năm 1965. Trải qua quá trình giãn nở và nguội đi chung với nó, khí của các photon hiện tạo thành bức xạ nền của Vũ trụ, bức xạ này đến với chúng ta một cách đồng nhất từ ​​mọi phía. Lượng tử bức xạ di tích không có khối lượng nghỉ, giống như bất kỳ lượng tử bức xạ điện từ nào, nhưng nó có năng lượng, và do đó, theo công thức Einstein nổi tiếng E = Bà?, và khối lượng tương ứng với năng lượng này. Đối với hầu hết các lượng tử di tích, khối lượng này rất nhỏ: nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của nguyên tử hydro, nguyên tố phổ biến nhất trong các ngôi sao và thiên hà. Do đó, mặc dù chiếm ưu thế đáng kể về số lượng hạt, bức xạ phông vi sóng vũ trụ kém hơn các ngôi sao và thiên hà về mức độ đóng góp của nó vào tổng khối lượng của Vũ trụ. Trong kỷ nguyên hiện đại, mật độ bức xạ là 3 * 10 -34 g / cm 3, nhỏ hơn khoảng một nghìn lần so với mật độ trung bình của vật chất trong các thiên hà. Nhưng điều này không phải luôn luôn như vậy - trong quá khứ xa xôi của Vũ trụ, các photon đóng góp chính vào mật độ của nó. Thực tế là trong quá trình vũ trụ mở rộng, mật độ bức xạ giảm nhanh hơn mật độ vật chất. Trong quá trình này, không chỉ nồng độ của các photon giảm (cùng tốc độ với nồng độ của các hạt), mà năng lượng trung bình của một photon cũng giảm, vì nhiệt độ của photon khí giảm trong quá trình giãn nở. Trong quá trình mở rộng sau đó của Vũ trụ, nhiệt độ của plasma và bức xạ giảm xuống. Tương tác của các hạt với photon không còn thời gian để ảnh hưởng đáng kể đến phổ phát xạ trong thời gian giãn nở đặc trưng. Tuy nhiên, ngay cả khi hoàn toàn không có tương tác giữa bức xạ và vật chất, trong quá trình mở rộng của Vũ trụ, phổ bức xạ vật đen vẫn là vật đen, và chỉ có nhiệt độ bức xạ giảm. Miễn là nhiệt độ vượt quá 4000 K, vật chất sơ cấp đã hoàn toàn bị ion hóa, phạm vi của các photon từ sự kiện tán xạ này đến sự kiện tán xạ khác nhỏ hơn nhiều so với đường chân trời của Vũ trụ. Tại T ? 4000K có sự tái kết hợp của proton và electron, plasma biến thành hỗn hợp các nguyên tử trung hòa của hydro và heli, Vũ trụ trở nên hoàn toàn trong suốt đối với bức xạ. Trong quá trình mở rộng hơn nữa, nhiệt độ của bức xạ tiếp tục giảm xuống, nhưng bản chất vật đen của bức xạ vẫn được lưu giữ như một di tích, như một "ký ức" về thời kỳ đầu của quá trình phát triển của thế giới. Bức xạ này được phát hiện đầu tiên ở bước sóng 7,35 cm, sau đó ở bước sóng khác (từ 0,6 mm đến 50 cm).

Không có các ngôi sao và thiên hà vô tuyến, không có khí nóng giữa các thiên hà, không tái phát ánh sáng khả kiến bụi giữa các vì sao không thể tạo ra bức xạ tiếp cận bức xạ phông vi sóng về các đặc tính: tổng năng lượng của bức xạ này quá cao, và phổ của nó không giống với phổ của các ngôi sao hoặc phổ của các nguồn vô tuyến. Điều này, cũng như sự vắng mặt gần như hoàn toàn của dao động cường độ trên thiên cầu (dao động góc quy mô nhỏ), chứng tỏ nguồn gốc vũ trụ học, di tích của bức xạ phông vi sóng.

Bức xạ nền chỉ là đẳng hướng trong hệ tọa độ liên quan đến các thiên hà "rút lui", trong cái gọi là. hệ quy chiếu đi kèm (hệ quy chiếu này đang mở rộng cùng với Vũ trụ). Trong bất kỳ hệ tọa độ nào khác, cường độ bức xạ phụ thuộc vào hướng. Thực tế này mở ra khả năng đo tốc độ của Mặt trời so với hệ tọa độ gắn với bức xạ phông vi sóng. Thật vậy, do hiệu ứng Doppler, các photon truyền về phía một người quan sát đang chuyển động có năng lượng cao hơn so với những photon đuổi kịp anh ta, mặc dù thực tế là trong hệ thống liên kết với M.F. tức là, năng lượng của chúng bằng nhau. Do đó, nhiệt độ bức xạ đối với một người quan sát như vậy hóa ra lại phụ thuộc vào hướng. Tính dị hướng lưỡng cực của bức xạ phông vi sóng vũ trụ, liên quan đến chuyển động của hệ mặt trời so với trường của bức xạ này, hiện đã được thiết lập vững chắc: theo hướng của chòm sao Leo, nhiệt độ của bức xạ phông vi sóng vũ trụ là 3,5 cao hơn mK so với mức trung bình, và ở chiều ngược lại (chòm sao Bảo Bình) cũng thấp hơn mức trung bình một lượng. Do đó, Mặt trời (cùng với Trái đất) chuyển động so với mf. và. với tốc độ khoảng 400 km / s về phía chòm sao Leo. Độ chính xác của các quan sát cao đến mức các nhà thí nghiệm ấn định tốc độ của Trái đất quanh Mặt trời là 30 km / s. Tính toán tốc độ chuyển động của Mặt trời xung quanh tâm Thiên hà giúp xác định tốc độ chuyển động của Thiên hà so với bức xạ nền là ~ 600 km / s. Máy quang phổ xa bức xạ hồng ngoại(FIRAS) được lắp đặt trên vệ tinh của NASA's Cosmic Background Explorer (COBE) đã thực hiện các phép đo chính xác về phổ CMB. Các phép đo này đã trở thành phép đo phổ vật đen chính xác nhất cho đến nay. Bản đồ chi tiết nhất của bức xạ di tích được xây dựng là kết quả của công việc của người Mỹ phi thuyền wmap.

Phổ của bức xạ di tích lấp đầy Vũ trụ tương ứng với phổ bức xạ của một vật đen hoàn toàn có nhiệt độ 2,725 K. Cực đại của nó rơi vào tần số 160,4 GHz, tương ứng với bước sóng 1,9 mm. Nó đẳng hướng với độ chính xác 0,001% - độ lệch chuẩn nhiệt độ xấp xỉ 18 µK. Giá trị này không tính đến dị hướng lưỡng cực (chênh lệch giữa vùng lạnh nhất và vùng nóng nhất là 6,706 mK) gây ra bởi sự dịch chuyển Doppler của tần số phát xạ do vận tốc của chính chúng ta so với khung CMB. Tính dị hướng lưỡng cực ứng với chuyển động của hệ mặt trời về phía chòm sao Xử Nữ với tốc độ là bao nhiêu? 370 km / s.

Bức xạ CMB

Bức xạ nền vi sóng ngoài thiên hà nằm trong dải tần từ 500 MHz đến 500 GHz, tương ứng với bước sóng từ 60 cm đến 0,6 mm. Bức xạ phông nền này mang thông tin về các quá trình diễn ra trong Vũ trụ trước khi hình thành các thiên hà, chuẩn tinh và các vật thể khác. Bức xạ này, được gọi là di tích, được phát hiện vào năm 1965, mặc dù nó đã được dự đoán từ những năm 40 bởi Georgy Gamow và được các nhà thiên văn học nghiên cứu trong nhiều thập kỷ.

Trong Vũ trụ đang giãn nở, mật độ trung bình của vật chất phụ thuộc vào thời gian - trước đây nó lớn hơn. Tuy nhiên, trong quá trình giãn nở, không chỉ thay đổi mật độ, mà cả nhiệt năng của vật chất, có nghĩa là ở giai đoạn đầu của quá trình giãn nở, Vũ trụ không chỉ đặc mà còn nóng. Kết quả là, trong thời đại của chúng ta, một bức xạ dư sẽ được quan sát, phổ của nó giống với phổ của cơ thể cường tráng, và bức xạ này phải ở mức độ cao nhấtđẳng hướng. Năm 1964, A.A. Penzias và R. Wilson, khi thử nghiệm một ăng-ten vô tuyến nhạy, đã phát hiện ra một bức xạ vi sóng phông nền rất yếu, mà họ không thể loại bỏ bằng bất kỳ cách nào. Nhiệt độ của nó hóa ra là 2,73 K, gần với giá trị dự đoán. Từ các thí nghiệm về nghiên cứu sự đẳng hướng, người ta chỉ ra rằng nguồn bức xạ phông vi sóng không thể nằm bên trong Thiên hà, do đó sẽ phải quan sát thấy nồng độ bức xạ hướng vào tâm Thiên hà. Nguồn bức xạ cũng không thể được đặt bên trong hệ mặt trời. một sự thay đổi trong ngày của cường độ bức xạ sẽ được quan sát thấy. Do đó, một kết luận đã được rút ra về bản chất ngoài thiên hà của bức xạ phông nền này. Do đó, giả thuyết về một Vũ trụ nóng đã nhận được một cơ sở quan sát.

Để hiểu bản chất của CMB, cần phải chuyển sang các quá trình diễn ra trong giai đoạn đầu của quá trình mở rộng của Vũ trụ. Chúng ta hãy xem xét các điều kiện vật chất trong Vũ trụ đã thay đổi như thế nào trong quá trình giãn nở.

Bây giờ mỗi cm khối không gian chứa khoảng 500 photon nền vi sóng vũ trụ, và có ít chất hơn trong thể tích này. Vì tỉ lệ giữa số photon và số baryon trong quá trình giãn nở được bảo toàn, nhưng năng lượng của photon giảm dần theo thời gian do sự giãn nở của Vũ trụ do dịch chuyển đỏ, nên chúng ta có thể kết luận rằng vào một thời điểm nào đó trong quá khứ. mật độ năng lượng của bức xạ là mật độ nhiều hơn năng lượng của các hạt vật chất. Thời gian này được gọi là giai đoạn bức xạ trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ. Giai đoạn bức xạ được đặc trưng bởi sự bằng nhau giữa nhiệt độ của vật chất và bức xạ. Trong những ngày đó, bức xạ hoàn toàn xác định bản chất của sự giãn nở của vũ trụ. Khoảng một triệu năm sau khi bắt đầu mở rộng Vũ trụ, nhiệt độ giảm xuống vài nghìn độ và sự tái kết hợp của các electron, trước đây là các hạt tự do, diễn ra với proton và hạt nhân heli, tức là sự hình thành các nguyên tử. Vũ trụ đã trở nên trong suốt đối với bức xạ, và chính bức xạ này mà ngày nay chúng ta thu nhận được và gọi là phản xạ. Đúng như vậy, kể từ thời điểm đó, do sự giãn nở của Vũ trụ, các photon đã giảm năng lượng của chúng khoảng 100 lần. Nói một cách hình tượng, lượng tử bức xạ di tích "in dấu" kỷ nguyên tái tổ hợp và mang thông tin trực tiếp về quá khứ xa xôi.

Sau khi tái tổ hợp, vật chất lần đầu tiên bắt đầu phát triển độc lập, không phụ thuộc vào bức xạ, và mật độ bắt đầu xuất hiện trong đó - phôi của các thiên hà trong tương lai và các cụm của chúng. Đó là lý do tại sao các thí nghiệm nghiên cứu các tính chất của bức xạ di tích - phổ của nó và các dao động trong không gian - lại rất quan trọng đối với các nhà khoa học. Những nỗ lực của họ đã không vô ích: vào đầu những năm 90. Thí nghiệm không gian "Relikt-2" của Nga và "Kobe" của Mỹ đã phát hiện ra sự khác biệt về nhiệt độ của bức xạ phụ thuộc các phần lân cận của bầu trời, và độ lệch so với nhiệt độ trung bình chỉ khoảng một phần nghìn phần trăm. Các biến đổi nhiệt độ này mang thông tin về độ lệch của mật độ vật chất so với giá trị trung bình trong kỷ nguyên tái tổ hợp. Sau khi tái tổ hợp, vật chất trong Vũ trụ được phân bố gần như đồng đều, và ở những nơi có mật độ ít nhất là trên mức trung bình một chút thì lực hút càng mạnh. Chính sự biến đổi mật độ sau đó đã dẫn đến sự hình thành các cấu trúc quy mô lớn được quan sát thấy trong Vũ trụ, các cụm thiên hà và các thiên hà riêng lẻ. Qua ý tưởng hiện đại, các thiên hà đầu tiên phải được hình thành ở một kỷ nguyên tương ứng với dịch chuyển đỏ từ 4 đến 8.

Có cơ hội nào để nhìn xa hơn vào thời đại trước khi tái tổ hợp không? Cho đến thời điểm tái tổ hợp, chính áp suất của bức xạ điện từ chủ yếu tạo ra trường hấp dẫn, làm chậm quá trình giãn nở của Vũ trụ. Ở giai đoạn này, nhiệt độ thay đổi tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của thời gian đã trôi qua kể từ khi bắt đầu giãn nở. Chúng ta hãy xem xét liên tiếp các giai đoạn khác nhau của quá trình mở rộng của Vũ trụ sơ khai.

Ở nhiệt độ xấp xỉ 1013 Kelvin, các cặp hạt và phản hạt khác nhau được sinh ra và bị tiêu diệt trong Vũ trụ: proton, neutron, meson, electron, neutrino, v.v. Khi nhiệt độ giảm xuống 5 * 1012 K, hầu như tất cả proton và neutron đều bị tiêu diệt , biến thành lượng tử bức xạ; chỉ còn lại những phản hạt “không đủ”. Chính từ những proton và neutron "dư thừa" này mà vật chất của Vũ trụ quan sát được hiện đại chủ yếu bao gồm.

Tại Т = 2 * 1010 K, các hạt neutrino xuyên thấu hết không còn tương tác với vật chất - kể từ thời điểm đó, “nền di tích của neutrino” lẽ ra vẫn còn, có thể được phát hiện trong quá trình các thí nghiệm neutrino trong tương lai.

Mọi thứ vừa được nói diễn ra dưới sự nhiệt độ cao trong giây đầu tiên sau khi vũ trụ bắt đầu giãn nở. Vài giây sau thời điểm “khai sinh” của Vũ trụ, kỷ nguyên tổng hợp hạt nhân sơ cấp bắt đầu, khi các hạt nhân của đơteri, heli, liti và beri được hình thành. Nó kéo dài khoảng ba phút, và kết quả chính của nó là sự hình thành hạt nhân heli (chiếm 25% khối lượng của toàn bộ vật chất trong Vũ trụ). Các nguyên tố còn lại, nặng hơn heli, chiếm một phần không đáng kể - khoảng 0,01%.

Sau kỷ nguyên tổng hợp hạt nhân và trước kỷ nguyên tái tổ hợp (khoảng 106 năm), có sự giãn nở và nguội đi một cách bình tĩnh của Vũ trụ, và sau đó - hàng trăm triệu năm sau sự khởi đầu - các thiên hà và ngôi sao đầu tiên xuất hiện.

Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản đã làm cho nó có thể coi về mặt lý thuyết là giai đoạn ban đầu, “siêu đặc” của sự giãn nở của Vũ trụ. Hóa ra là ngay khi bắt đầu giãn nở, khi nhiệt độ cao đến mức khó tin (hơn 1028 K), Vũ trụ có thể ở trong một trạng thái đặc biệt, trong đó nó giãn nở với gia tốc, và năng lượng trên một đơn vị thể tích không đổi. Giai đoạn mở rộng này được gọi là lạm phát. Trạng thái vật chất như vậy có thể xảy ra trong một điều kiện - áp suất âm. Giai đoạn lạm phát tăng cực nhanh bao gồm một khoảng thời gian nhỏ: nó kết thúc vào khoảng thời gian khoảng 10–36 giây. Người ta tin rằng sự “ra đời” thực sự của các hạt vật chất cơ bản ở dạng mà chúng ta biết hiện nay xảy ra ngay sau khi kết thúc giai đoạn lạm phát và là do sự sụp đổ của trường giả thuyết. Sau đó, sự giãn nở của vũ trụ tiếp tục theo quán tính.

Giả thuyết vũ trụ lạm phát trả lời một số những vấn đề quan trọng vũ trụ học, cho đến nay vẫn được coi là những nghịch lý không thể giải thích được, đặc biệt là đối với câu hỏi về nguyên nhân của sự giãn nở của vũ trụ. Nếu trong lịch sử của nó, Vũ trụ thực sự trải qua thời kỳ có áp suất âm lớn, thì lực hấp dẫn chắc chắn không phải gây ra lực hút, mà là lực đẩy lẫn nhau của các hạt vật chất. Và điều đó có nghĩa là Vũ trụ bắt đầu mở rộng nhanh chóng, bùng nổ. Tất nhiên, mô hình của Vũ trụ lạm phát chỉ là một giả thuyết: ngay cả việc xác minh gián tiếp các vị trí của nó cũng cần đến những công cụ như vậy, đơn giản là hiện tại vẫn chưa được tạo ra. Tuy nhiên, ý tưởng về sự giãn nở gia tốc của Vũ trụ ở giai đoạn sớm nhất của quá trình tiến hóa đã trở nên vững chắc trong vũ trụ học hiện đại.

Nói về Vũ trụ sơ khai, chúng ta đột nhiên được vận chuyển từ quy mô vũ trụ lớn nhất đến vùng của vũ trụ vi mô, được mô tả bởi các định luật cơ lượng tử. Vật lý của các hạt cơ bản và năng lượng siêu cao gắn bó chặt chẽ với nhau trong vũ trụ học với vật lý của các hệ thiên văn khổng lồ. Lớn nhất và nhỏ nhất hợp nhất ở đây với nhau. Đây là vẻ đẹp tuyệt vời của thế giới của chúng ta, đầy những kết nối bất ngờ và sự thống nhất sâu sắc.

Các biểu hiện của sự sống trên Trái đất vô cùng đa dạng. Sự sống trên Trái đất được đại diện bởi các sinh vật hạt nhân và tiền hạt nhân, đơn bào và đa bào; đa bào, lần lượt, được đại diện bởi nấm, thực vật và động vật. Bất kỳ vương quốc nào trong số này đều hợp nhất nhiều loại, lớp, trật tự, họ, chi, loài, quần thể và cá nhân.

Trong tất cả các loại sinh vật dường như vô tận, có thể phân biệt một số cấp độ tổ chức khác nhau của sinh vật: phân tử, tế bào, mô, cơ quan, di truyền, quần thể, loài, gen sinh học, địa quyển. Các cấp độ được liệt kê được đánh dấu để dễ nghiên cứu. Nếu chúng ta cố gắng xác định các cấp độ chính, không phản ánh nhiều cấp độ nghiên cứu như các cấp độ tổ chức của sự sống trên Trái đất, thì tiêu chí chính cho sự lựa chọn đó nên được công nhận là sự hiện diện của các cấu trúc cơ bản, rời rạc và cơ bản cụ thể. hiện tượng. Với cách tiếp cận này, hóa ra là cần thiết và đủ để xác định các cấp độ di truyền phân tử, di truyền, quần thể-loài và gen sinh học (N.V. Timofeev-Resovsky và những người khác).

Mức độ di truyền phân tử. Trong nghiên cứu ở cấp độ này, rõ ràng là đã đạt được sự rõ ràng lớn nhất trong định nghĩa các khái niệm cơ bản, cũng như trong việc xác định các cấu trúc và hiện tượng cơ bản. Sự phát triển của lý thuyết di truyền nhiễm sắc thể, phân tích quá trình đột biến và nghiên cứu cấu trúc nhiễm sắc thể, phage và virut đã cho thấy những nét chính về tổ chức cấu trúc di truyền cơ bản và các hiện tượng liên quan với chúng. Được biết, các cấu trúc chính ở cấp độ này (mã thông tin di truyền được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác) là DNA, được phân biệt về chiều dài thành các phần tử mã - bộ ba của bazơ nitơ tạo thành gen.

Các gen ở cấp độ tổ chức sự sống này đại diện cho các đơn vị cơ bản. Các hiện tượng cơ bản chính liên quan đến gen có thể được coi là sự thay đổi cấu trúc cục bộ của chúng (đột biến) và chuyển thông tin được lưu trữ trong chúng đến các hệ thống kiểm soát nội bào.

Sự sao chép đồng biến xảy ra theo nguyên tắc ma trận bằng cách phá vỡ các liên kết hydro xoắn kép DNA với sự tham gia của enzyme DNA polymerase. Sau đó, mỗi sợi tạo ra một sợi tương ứng cho chính nó, sau đó các sợi mới được kết nối bổ sung với nhau. Các gốc pyrimidine và purine của các sợi bổ sung được liên kết hydro với nhau bằng DNA polymerase. Quá trình này diễn ra rất nhanh. Do đó, quá trình tự lắp ráp DNA của Escherichia coli, bao gồm khoảng 40 nghìn cặp bazơ, chỉ cần 100 s. Thông tin di truyền được chuyển từ nhân bởi các phân tử mRNA đến tế bào chất đến các ribosome và tham gia vào quá trình tổng hợp protein ở đó. Một loại protein chứa hàng nghìn axit amin được tổng hợp trong tế bào sống trong 5–6 phút, trong khi ở vi khuẩn thì nhanh hơn.

Các hệ thống điều khiển chính, cả trong quá trình tái tạo phức tạp và truyền thông tin nội bào, đều sử dụng "nguyên tắc ma trận", tức là là các ma trận, bên cạnh đó các đại phân tử cụ thể tương ứng được xây dựng. Hiện tại, cấu trúc được nhúng trong cấu trúc đang được giải mã thành công. axit nucleic một mã đóng vai trò như một ma trận trong quá trình tổng hợp các cấu trúc protein cụ thể trong tế bào. Sao chép lại dựa trên sao chép ma trận không chỉ giữ lại chuẩn mực di truyền mà còn làm sai lệch khỏi nó, tức là đột biến (cơ sở của quá trình tiến hóa). Kiến thức chính xác đầy đủ về cấp độ phân tử-di truyền là điều kiện tiên quyết cần thiết để hiểu rõ về các hiện tượng sự sống xảy ra ở tất cả các cấp độ tổ chức sự sống khác.

Nội dung của bài báo

BỨC XẠ HẠN CHẾ, bức xạ điện từ vũ trụ đến Trái đất từ ​​mọi phía của bầu trời với cường độ xấp xỉ như nhau và có phổ đặc trưng của bức xạ vật đen ở nhiệt độ khoảng 3 K (3 độ C). quy mô tuyệt đối Kelvin, tương ứng với -270 ° C). Ở nhiệt độ này, phần chính của bức xạ rơi vào các sóng vô tuyến có phạm vi cm và milimét. Mật độ năng lượng của bức xạ di tích là 0,25 eV / cm 3.

Các nhà thiên văn học vô tuyến thực nghiệm gọi bức xạ này là "nền vi sóng vũ trụ" (CMB). Các nhà vật lý thiên văn lý thuyết thường gọi nó là “bức xạ di tích” (thuật ngữ do nhà vật lý thiên văn người Nga I.S. Shklovsky đề xuất), vì, trong khuôn khổ lý thuyết về Vũ trụ nóng thường được chấp nhận ngày nay, bức xạ này phát sinh ở giai đoạn đầu của quá trình giãn nở của chúng ta. thế giới, khi chất của nó thực tế là đồng nhất và rất nóng. Đôi khi trong các tài liệu khoa học và phổ thông, bạn cũng có thể tìm thấy thuật ngữ "bức xạ vũ trụ ba độ". Trong những gì tiếp theo, chúng tôi sẽ gọi bức xạ này là "di tích".

Việc phát hiện ra bức xạ di tích vào năm 1965 có tầm quan trọng to lớn đối với vũ trụ học; nó đã trở thành một trong những thành tựu chính khoa học tự nhiên của thế kỷ 20. và cho đến nay, điều quan trọng nhất đối với vũ trụ học sau khi phát hiện ra dịch chuyển đỏ trong quang phổ của các thiên hà. Bức xạ di tích yếu mang lại cho chúng ta thông tin về những khoảnh khắc đầu tiên của sự tồn tại của Vũ trụ của chúng ta, về kỷ nguyên xa xôi khi toàn bộ Vũ trụ còn nóng và chưa có hành tinh, không có ngôi sao, chưa có thiên hà nào trong đó. Tổ chức tại những năm trước các phép đo chi tiết của bức xạ này với sự trợ giúp của các đài quan sát trên mặt đất, tầng bình lưu và không gian đã vén bức màn bí ẩn về sự ra đời của Vũ trụ.

thuyết vũ trụ nóng.

Năm 1929, nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble (1889–1953) đã phát hiện ra rằng hầu hết các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta, và thiên hà càng xa chúng ta càng nhanh (định luật Hubble). Điều này được hiểu là sự giãn nở chung của vũ trụ bắt đầu cách đây khoảng 15 tỷ năm. Câu hỏi đặt ra là vũ trụ trông như thế nào trong quá khứ xa xôi, khi các thiên hà mới bắt đầu di chuyển ra xa nhau, và thậm chí còn sớm hơn. Mặc du bộ máy toán học, dựa trên lý thuyết chung Thuyết tương đối của Einstein và mô tả động lực học của vũ trụ, được tạo ra vào những năm 1920 bởi Willem de Sitter (1872–1934), Alexander Friedmann (1888–1925) và Georges Lemaitre (1894–1966), khoảng tình trạng thể chất Không có gì được biết đến với vũ trụ trong thời kỳ đầu của quá trình tiến hóa của nó. Thậm chí không có gì chắc chắn rằng đã có một thời điểm nào đó trong lịch sử vũ trụ có thể được coi là "thời điểm bắt đầu giãn nở".

Sự phát triển vật lý nguyên tử trong những năm 1940 cho phép sự phát triển của mô hình lý thuyết sự tiến hóa của Vũ trụ trong quá khứ, khi chất của nó được cho là bị nén lại thành mật độ cao tại đó các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra. Những mô hình này, trước hết, được cho là giải thích thành phần của vật chất trong Vũ trụ, mà vào thời điểm đó đã được đo lường khá đáng tin cậy từ các quan sát về quang phổ của các ngôi sao: trung bình, chúng bao gồm 2/3 hydro và 1/3 helium, và tất cả các nguyên tố hóa học khác được kết hợp với nhau chỉ chiếm không quá 2%. Kiến thức về đặc tính của các hạt nội hạt nhân - proton và neutron - giúp bạn có thể tính toán các phương án cho sự bắt đầu giãn nở của Vũ trụ, khác nhau về hàm lượng ban đầu của các hạt này và nhiệt độ của chất và bức xạ ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. với nó. Mỗi biến thể có cấu tạo riêng của vật chất ban đầu của Vũ trụ.

Nếu chúng ta bỏ qua các chi tiết, thì có hai khả năng khác nhau về cơ bản đối với các điều kiện mà sự khởi đầu của sự giãn nở của Vũ trụ diễn ra: chất của nó có thể là lạnh hoặc nóng. Hệ quả của các phản ứng hạt nhân về cơ bản là khác nhau. Mặc dù Lemaitre đã bày tỏ ý tưởng về khả năng tồn tại quá khứ nóng của Vũ trụ trong các tác phẩm đầu tiên của mình, nhưng khả năng xảy ra quá khứ lạnh về mặt lịch sử được coi là đầu tiên vào những năm 1930.

Trong những giả thiết đầu tiên, người ta tin rằng ban đầu tất cả các vật chất của Vũ trụ đều tồn tại ở dạng neutron lạnh. Sau đó hóa ra rằng một giả định như vậy mâu thuẫn với các quan sát. Thực tế là một neutron ở trạng thái tự do phân rã trung bình 15 phút sau khi xuất hiện, biến thành một proton, một electron và một phản neutrino. Trong một vũ trụ đang giãn nở, các proton tạo thành sẽ bắt đầu kết hợp với các neutron còn lại, tạo thành hạt nhân của các nguyên tử đơteri. Hơn nữa, một chuỗi phản ứng hạt nhân sẽ dẫn đến sự hình thành hạt nhân của nguyên tử heli. Phức tạp hơn Hạt nhân nguyên tử, như các tính toán cho thấy, thực tế không phát sinh trong trường hợp này. Kết quả là, tất cả vật chất sẽ biến thành heli. Kết luận như vậy hoàn toàn trái ngược với những quan sát về các ngôi sao và vật chất giữa các vì sao. Sự phổ biến của các nguyên tố hóa học trong tự nhiên bác bỏ giả thuyết về sự khởi đầu của sự giãn nở của vật chất dưới dạng các neutron lạnh.

Năm 1946 tại Hoa Kỳ, một phiên bản "nóng" của các giai đoạn đầu của quá trình giãn nở của Vũ trụ đã được đề xuất bởi nhà vật lý người Nga Georgy Gamov (1904-1968). Năm 1948, công trình của các cộng sự của ông là Ralph Alfer và Robert Herman được xuất bản, xem xét các phản ứng hạt nhân trong vật chất nóng ở giai đoạn đầu của sự mở rộng vũ trụ nhằm thu được tỷ lệ hiện quan sát được giữa số lượng các nguyên tố hóa học khác nhau và các đồng vị của chúng. Trong những năm đó, mong muốn giải thích nguồn gốc của tất cả các nguyên tố hóa học bằng sự tổng hợp của chúng trong những giây phút đầu tiên của quá trình tiến hóa của vật chất là điều đương nhiên. Thực tế là vào thời điểm đó họ đã ước tính sai thời gian đã trôi qua kể từ khi bắt đầu mở rộng Vũ trụ chỉ là 2-4 tỷ năm. Điều này là do giá trị được đánh giá quá cao của hằng số Hubble, theo sau trong những năm đó từ các quan sát thiên văn.

So sánh tuổi của Vũ trụ vào khoảng 2-4 tỷ năm với tuổi ước tính của Trái đất - khoảng 4 tỷ năm - cần phải giả định rằng Trái đất, Mặt trời và các ngôi sao được hình thành từ vật chất nguyên sinh với thành phần hóa học sẵn có . Người ta tin rằng thành phần này không thay đổi theo bất kỳ cách nào đáng kể, vì sự tổng hợp các nguyên tố trong các ngôi sao là một quá trình chậm và không có thời gian để thực hiện trước khi hình thành Trái đất và các thiên thể khác.

Việc sửa đổi quy mô khoảng cách ngoài thiên hà sau đó cũng dẫn đến việc sửa đổi tuổi của Vũ trụ. Thuyết tiến hóa sao giải thích thành công nguồn gốc của tất cả các yếu tố nặng(nặng hơn heli) bởi quá trình tổng hợp hạt nhân của chúng trong các ngôi sao. Không cần thiết phải giải thích nguồn gốc của tất cả các nguyên tố, kể cả những nguyên tố nặng, ở giai đoạn đầu của quá trình mở rộng của Vũ trụ. Tuy nhiên, thực chất của giả thuyết vũ trụ nóng hóa ra lại đúng.

Mặt khác, sự phong phú của heli trong các ngôi sao và khí giữa các vì sao là khoảng 30% khối lượng. Điều này còn nhiều hơn những gì có thể giải thích bằng phản ứng hạt nhân trong các ngôi sao. Điều này có nghĩa là heli, không giống như các nguyên tố nặng, nên được tổng hợp vào lúc bắt đầu mở rộng của Vũ trụ, nhưng đồng thời - với một số lượng hạn chế.

Ý tưởng chính của lý thuyết Gamow chính xác là nhiệt độ cao của vật chất ngăn cản sự biến đổi của mọi vật chất thành heli. Tại thời điểm 0,1 giây sau khi bắt đầu giãn nở, nhiệt độ là khoảng 30 tỷ K. Trong một chất nóng như vậy có nhiều photon năng lượng cao. Mật độ và năng lượng của các photon cao đến mức ánh sáng tương tác với ánh sáng, dẫn đến việc tạo ra các cặp electron-positron. Đến lượt nó, sự triệt tiêu các cặp có thể dẫn đến việc tạo ra các photon, cũng như tạo ra các cặp neutrino và phản neutrino. Trong cái "vạc sôi" này là chuyện thường tình. Ở nhiệt độ rất cao, các hạt nhân nguyên tử phức tạp không thể tồn tại. Chúng sẽ ngay lập tức bị phá vỡ bởi các hạt năng lượng xung quanh. Do đó, các hạt vật chất nặng tồn tại dưới dạng neutron và proton. Tương tác với các hạt năng lượng khiến neutron và proton nhanh chóng chuyển thành nhau. Tuy nhiên, phản ứng kết hợp neutron với proton không diễn ra, vì hạt nhân deuterium tạo thành ngay lập tức bị phá vỡ bởi các hạt có năng lượng cao. Vì vậy, do nhiệt độ cao ngay từ đầu, chuỗi dẫn đến sự hình thành của heli bị phá vỡ.

Chỉ cho đến khi sự giãn nở của vũ trụ nguội đi dưới một tỷ kelvins, một số deuterium tạo thành đã được lưu trữ và dẫn đến sự hợp nhất của heli. Các tính toán cho thấy rằng nhiệt độ và mật độ của vật chất có thể được điều chỉnh sao cho vào thời điểm này phần neutron trong vật chất là khoảng 15% trọng lượng. Những neutron này kết hợp với cùng một số proton để tạo thành khoảng 30% heli. Các hạt nặng còn lại vẫn ở dạng proton - hạt nhân của nguyên tử hydro. Phản ứng hạt nhân kết thúc sau năm phút đầu tiên sau khi bắt đầu mở rộng vũ trụ. Trong tương lai, khi Vũ trụ mở rộng, nhiệt độ của vật chất và bức xạ của nó giảm xuống. Từ các công trình của Gamow, Alpher và Herman vào năm 1948, người ta thấy rằng nếu lý thuyết về Vũ trụ nóng dự đoán sự xuất hiện của 30% heli và 70% hydro là các nguyên tố hóa học chính của tự nhiên, thì vũ trụ hiện đại chắc chắn phải được lấp đầy bởi một phần còn lại (“di tích”) của bức xạ nóng ban đầu, và nhiệt độ hiện đại của bức xạ phụ thuộc này phải là khoảng 5 K.

Tuy nhiên, việc phân tích các biến thể khác nhau của thời kỳ đầu của quá trình mở rộng vũ trụ đã không kết thúc với giả thuyết Gamow. Vào đầu những năm 1960, một nỗ lực khéo léo để quay trở lại phiên bản lạnh được thực hiện bởi Ya.B. Zel'dovich, người cho rằng vật chất lạnh ban đầu bao gồm các proton, electron và neutrino. Như Zel'dovich đã chỉ ra, một hỗn hợp như vậy chuyển thành hydro tinh khiết. Theo giả thuyết này, Helium và các nguyên tố hóa học khác được tổng hợp sau đó, khi các ngôi sao hình thành. Lưu ý rằng vào thời điểm này, các nhà thiên văn học đã biết rằng Vũ trụ già hơn Trái đất và hầu hết các ngôi sao xung quanh chúng ta vài lần, và dữ liệu về sự phong phú của heli trong vật chất tiền sao vẫn rất không chắc chắn trong những năm đó.

Có vẻ, bài kiểm tra quyết địnhđể lựa chọn giữa các mô hình nóng và lạnh của vũ trụ có thể là tìm kiếm bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Nhưng không hiểu vì sao, trong nhiều năm sau dự đoán của Gamow và các đồng nghiệp, không ai có ý thức cố gắng phát hiện ra bức xạ này. Nó được phát hiện khá tình cờ vào năm 1965 bởi các nhà vật lý vô tuyến từ công ty Mỹ "Bell" R. Wilson và A. Penzias, những người được trao giải Nobel năm 1978.

Trên đường đến việc phát hiện ra bức xạ di tích.

Vào giữa những năm 1960, các nhà vật lý thiên văn tiếp tục nghiên cứu về mặt lý thuyết mô hình nóng của vũ trụ. Việc tính toán các đặc điểm mong đợi của CMB được thực hiện vào năm 1964 bởi A.G. Doroshkevich và I.D. Novikov ở Liên Xô và F. Hoyle và R.J. Taylor ở Anh một cách độc lập. Nhưng những tác phẩm này, giống như tác phẩm trước đó của Gamow và các đồng nghiệp của ông, đã không thu hút được sự chú ý. Nhưng họ đã chứng minh một cách thuyết phục rằng có thể quan sát thấy bức xạ di tích. Mặc dù bức xạ này cực kỳ yếu trong thời đại chúng ta, nhưng may mắn thay, nó lại nằm trong vùng phổ điện từ, nơi mà tất cả các nguồn vũ trụ khác nói chung bức xạ thậm chí còn yếu hơn. Do đó, một cuộc tìm kiếm có mục tiêu về nền vi sóng vũ trụ lẽ ra phải dẫn đến khám phá ra nó, nhưng các nhà thiên văn vô tuyến không biết về nó.

Đây là những gì A. Penzias đã nói trong bài giảng Nobel của mình: bài báo ngắn A.G. Doroshkevich và I.D. Novikov, có quyền Mật độ trung bình bức xạ trong Metagalaxy và một số câu hỏi của vũ trụ học tương đối tính. Mặc dù bản dịch tiếng Anh đã xuất hiện cùng năm, nhưng một thời gian sau, trên tạp chí nổi tiếng Sovetskaya Fizika - Doklady, bài báo dường như không thu hút được sự chú ý của các chuyên gia khác trong lĩnh vực này. Bài báo đáng chú ý này không chỉ hiển thị quang phổ của nền vi sóng vũ trụ như một vật thể đen hiện tượng sóng, mà còn tập trung rõ ràng vào tấm phản xạ sừng dài 20 foot của Phòng thí nghiệm Bell tại Crawford Hill, như một công cụ thích hợp nhất để phát hiện ra nó! (trích dẫn bởi: Sharov A.S., Novikov I.D. Người phát hiện ra vụ nổ vũ trụ: Cuộc đời và công việc của Edwin Hubble. M., 1989).

Thật không may, bài báo này đã không được các nhà lý thuyết hoặc nhà quan sát chú ý; nó không kích thích việc tìm kiếm bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các nhà sử học khoa học vẫn đang thắc mắc tại sao trong nhiều năm không ai cố gắng tìm kiếm bức xạ từ Vũ trụ nóng một cách có ý thức. Thật tò mò rằng khám phá này đã qua - một trong những khám phá lớn nhất của thế kỷ 20. - các nhà khoa học đã đi qua vài lần mà không nhận thấy nó.

Ví dụ, bức xạ di tích có thể đã được phát hiện sớm nhất là vào năm 1941. Sau đó, nhà thiên văn học người Canada E. McKellar đã phân tích các vạch hấp thụ gây ra trong quang phổ của ngôi sao Zeta Ophiuchus bởi các phân tử xyanua giữa các vì sao. Ông đi đến kết luận rằng những vạch này trong vùng khả kiến ​​của quang phổ chỉ có thể xuất hiện khi ánh sáng bị hấp thụ bởi các phân tử màu lục lam đang quay, và chuyển động quay của chúng phải được kích thích bởi bức xạ có nhiệt độ khoảng 2,3 K. Tất nhiên, không ai có thể có được. khi đó nghĩ rằng sự kích thích mức độ quay của các phân tử này do bức xạ di tích gây ra. Chỉ sau khi phát hiện ra nó vào năm 1965, các công trình của I.S. Shklovsky, J. Field và những người khác được xuất bản, trong đó người ta chỉ ra rằng sự kích thích chuyển động quay của các phân tử lục lam giữa các vì sao, mà các vạch của chúng được quan sát rõ ràng trong quang phổ của nhiều ngôi sao, là nguyên nhân chính xác bằng cách dựa vào bức xạ.

Một câu chuyện thậm chí còn kịch tính hơn diễn ra vào giữa những năm 1950. Sau đó, nhà khoa học trẻ T.A. Shmaonov, dưới sự hướng dẫn của các nhà thiên văn học vô tuyến nổi tiếng của Liên Xô S.E. Khaikin và N.L. Kaidanovsky, đã đo phát xạ vô tuyến từ không gian ở bước sóng 32 cm. Các phép đo này được thực hiện bằng cách sử dụng một ăng ten sừng tương tự như ăng ten được sử dụng nhiều năm sau đó của Penzias và Wilson. Shmaonov đã nghiên cứu kỹ lưỡng về khả năng gây nhiễu. Tất nhiên, vào thời điểm đó ông không có những chiếc máy thu nhạy cảm như người Mỹ sau này. Kết quả đo của Shmaonov được công bố vào năm 1957 trong luận án Tiến sĩ của ông và trên tạp chí Thiết bị và Kỹ thuật Thực nghiệm. Kết luận từ các phép đo này như sau: "Hóa ra giá trị tuyệt đối của nhiệt độ hiệu dụng của phát xạ vô tuyến nền ... bằng 4 ± 3 K." Shmaonov lưu ý sự độc lập của cường độ bức xạ với hướng trên bầu trời và theo thời gian. Mặc dù sai số đo là lớn và không cần phải nói về độ tin cậy của hình 4, nhưng bây giờ chúng ta rõ ràng rằng Shmaonov đã đo chính xác bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Thật không may, cả ông và các nhà thiên văn học vô tuyến khác đều không biết gì về khả năng tồn tại của bức xạ phông vi sóng vũ trụ và không coi trọng những phép đo này.

Cuối cùng, vào khoảng năm 1964, nhà vật lý thực nghiệm nổi tiếng đến từ Princeton (Mỹ) Robert Dicke đã tiếp cận vấn đề này một cách có ý thức. Mặc dù lý luận của ông dựa trên lý thuyết về một vũ trụ "dao động" liên tục trải qua quá trình giãn nở và co lại, Dicke hiểu rõ ràng sự cần thiết phải tìm kiếm CMB. Theo sáng kiến ​​của mình, vào đầu năm 1965, nhà lý thuyết trẻ F.J.A. Để tìm kiếm bức xạ nền, không nhất thiết phải sử dụng kính thiên văn vô tuyến lớn, vì bức xạ đến từ mọi hướng. Không thu được gì từ thực tế là một ăng-ten lớn tập trung chùm tia vào một khu vực nhỏ hơn của bầu trời. Nhưng nhóm của Dicke không có thời gian để thực hiện khám phá theo kế hoạch: khi thiết bị của họ đã sẵn sàng, họ chỉ còn cách xác nhận khám phá do những người khác vô tình thực hiện vào ngày hôm trước.

Khám phá bức xạ di tích.

Năm 1960, một ăng-ten được chế tạo ở Crawford Hill, Holmdel (New Jersey, Mỹ) để thu tín hiệu vô tuyến phản xạ từ vệ tinh khinh khí cầu Echo. Đến năm 1963, ăng ten này không còn cần thiết cho công việc vệ tinh nữa, và các nhà vật lý vô tuyến Robert Woodrow Wilson (sinh năm 1936) và Arno Elan Penzias (sinh năm 1933) từ phòng thí nghiệm Bell Telephone quyết định sử dụng nó để quan sát thiên văn vô tuyến. Ăng-ten là một chiếc sừng dài 20 feet. Cùng với thiết bị thu nhận mới nhất, kính thiên văn vô tuyến này vào thời điểm đó là công cụ nhạy nhất trên thế giới để đo sóng vô tuyến phát ra từ nền tảng rộng trên bầu trời. Trước hết, nó được cho là để đo phát xạ vô tuyến phương tiện giữa các vì sao của Thiên hà của chúng ta ở bước sóng 7,35 cm. Arno Penzias và Robert Wilson không biết về lý thuyết Vũ trụ nóng và sẽ không tìm kiếm bức xạ phông vi sóng vũ trụ.

Để đo chính xác sự phát xạ vô tuyến của Thiên hà, cần phải tính đến tất cả các nhiễu có thể gây ra bởi bức xạ của bầu khí quyển và bề mặt Trái đất, cũng như nhiễu xảy ra trong ăng-ten, mạch điện và máy thu. Thử nghiệm sơ bộ hệ thống nhận cho thấy tiếng ồn lớn hơn một chút so với dự kiến, nhưng có vẻ hợp lý rằng điều này là do dư tạp âm nhẹ trong các mạch khuếch đại. Để giải quyết những vấn đề này, Penzias và Wilson đã sử dụng một thiết bị được gọi là "tải lạnh", trong đó tín hiệu đến từ ăng-ten được so sánh với tín hiệu từ nguồn nhân tạo, được làm lạnh bằng helium lỏng ở nhiệt độ cao hơn khoảng bốn độ không tuyệt đối(4K). Trong cả hai trường hợp, nhiễu điện trong các mạch khuếch đại phải giống nhau, và do đó sự khác biệt thu được khi so sánh sẽ cho công suất của tín hiệu đến từ ăng-ten. Tín hiệu này chỉ chứa các đóng góp từ thiết bị ăng-ten, bầu khí quyển của trái đất và nguồn sóng vô tuyến thiên văn đi vào trường quan sát của ăng-ten.

Penzias và Wilson kỳ vọng việc bố trí ăng-ten tạo ra rất ít nhiễu điện. Tuy nhiên, để kiểm tra giả thiết này, họ bắt đầu quan sát ở bước sóng tương đối ngắn 7,35 cm, tại đó nhiễu vô tuyến từ Thiên hà không đáng kể. Đương nhiên, một số tiếng ồn vô tuyến được mong đợi ở bước sóng như vậy từ bầu khí quyển của Trái đất, nhưng tiếng ồn này phải có đặc tính phụ thuộc vào hướng: nó phải tỷ lệ với độ dày của bầu khí quyển theo hướng mà ăng-ten đang nhìn: một chút về phía thiên đỉnh, nhiều hơn một chút về phía đường chân trời. Người ta mong đợi rằng sau khi trừ đi thời hạn khí quyển từ sự phụ thuộc đặc trưng sẽ không có tín hiệu đáng kể từ ăng-ten từ hướng và điều này sẽ xác nhận rằng nhiễu điện do thiết bị ăng-ten tạo ra là không đáng kể. Sau đó, có thể bắt đầu nghiên cứu về chính Thiên hà ở bước sóng lớn - khoảng 21 cm, nơi bức xạ dải Ngân Hà có tầm quan trọng đáng kể. (Lưu ý rằng sóng vô tuyến có độ dài cm hoặc decimet, lên đến 1 m, thường được gọi là "bức xạ vi sóng". Tên này được đặt ra vì những bước sóng này nhỏ hơn những sóng siêu ngắn được sử dụng trong radar vào đầu Thế chiến II ..)

Trước sự ngạc nhiên của họ, Penzias và Wilson đã phát hiện ra vào mùa xuân năm 1964 rằng họ đã thu nhận được một lượng khá lớn tiếng ồn vi sóng không phụ thuộc vào hướng ở 7,35 cm. Họ phát hiện ra rằng "nền tĩnh" này không thay đổi theo thời gian trong ngày, và sau đó nhận thấy rằng nó cũng không phụ thuộc vào mùa. Do đó, đây không thể là bức xạ của Thiên hà, vì trong trường hợp này cường độ của nó sẽ thay đổi tùy thuộc vào việc ăng-ten nhìn dọc theo mặt phẳng của Dải Ngân hà hay nằm ngang. Ngoài ra, nếu đây là bức xạ của Thiên hà của chúng ta, thì thiên hà xoắn ốc lớn M 31 trong Andromeda, tương tự như chúng ta ở nhiều khía cạnh, cũng sẽ phải bức xạ mạnh ở bước sóng 7,35 cm, nhưng điều này đã không được quan sát thấy. Sự vắng mặt của bất kỳ biến thể nào trong tiếng ồn vi sóng quan sát được có hướng cho thấy rằng những sóng vô tuyến này, nếu có tồn tại, không đến từ Dải Ngân hà, mà là từ một khối lượng lớn hơn nhiều của vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu rõ ràng rằng họ cần phải kiểm tra lại để xem liệu bản thân ăng-ten có tạo ra nhiễu điện nhiều hơn dự kiến ​​hay không. Đặc biệt, người ta biết rằng có một đôi chim bồ câu làm tổ trong khẩu ăng ten. Họ bị bắt, được gửi thư đến tài sản Vippani của Bell, được thả ra, được phát hiện lại vài ngày sau ở vị trí của họ trong ăng-ten, bị bắt lại, và cuối cùng được bình định bằng các biện pháp quyết liệt hơn. Tuy nhiên, trong khi thuê mặt bằng, những con chim bồ câu đã phủ bên trong ăng-ten một thứ mà Penzias gọi là "chất điện môi trắng", ở nhiệt độ phòng, có thể là nguồn gây ra tiếng ồn điện. Vào đầu năm 1965, còi ăng-ten đã được tháo ra và làm sạch tất cả bụi bẩn, nhưng điều này, giống như tất cả các thủ thuật khác, làm giảm rất ít mức độ tiếng ồn quan sát được.

Khi tất cả các nguồn gây nhiễu đã được phân tích và tính toán cẩn thận, Penzias và Wilson buộc phải kết luận rằng bức xạ đến từ không gian, và từ mọi hướng với cùng cường độ. Hóa ra không gian bức xạ như thể nó được đốt nóng đến nhiệt độ 3,5 kelvin (chính xác hơn, độ chính xác đạt được cho phép chúng tôi kết luận rằng "nhiệt độ của không gian" là từ 2,5 đến 4,5 kelvin). Cần lưu ý rằng đây là một kết quả thí nghiệm rất tinh tế: ví dụ, nếu một khối kem được đặt trước còi ăng-ten, nó sẽ tỏa sáng trong phạm vi vô tuyến, sáng hơn 22 triệu lần so với phần tương ứng của bầu trời. Suy nghĩ về kết quả bất ngờ của các quan sát của họ, Penzias và Wilson không vội công bố. Nhưng các sự kiện đã phát triển trái với ý muốn của họ.

Penzias đã gọi cho người bạn của mình là Bernard Burke từ Massachusetts vào một dịp hoàn toàn khác. Viện công nghệ. Trước đó không lâu, Burke đã nghe đồng nghiệp Ken Tsrner của Viện Carnegie kể về một bài nói chuyện mà ông đã nghe tại Đại học Johns Hopkins của nhà lý thuyết Phil Peebleslem, người từng làm việc dưới quyền Robert Dicke. Trong bài nói chuyện này, Peebles lập luận rằng phải có tiếng ồn vô tuyến nền còn sót lại từ vũ trụ sơ khai hiện có nhiệt độ tương đương khoảng 10 K.

Penzias đã gọi điện cho Dicke và hai nhóm nghiên cứu đã gặp nhau. Robert Dicke và các đồng nghiệp của ông là F. Peebles, P. Roll và D. Wilkinson đã trở nên rõ ràng rằng A. Penzias và R. Wilson đã phát hiện ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ từ Vũ trụ nóng. Các nhà khoa học quyết định công bố đồng thời hai bức thư trên Tạp chí Vật lý thiên văn uy tín. Vào mùa hè năm 1965, cả hai công trình đều được xuất bản: của Penzias và Wilson về khám phá bức xạ phông vi sóng vũ trụ và Dicke và các đồng nghiệp với lời giải thích của ông bằng lý thuyết về vũ trụ nóng. Dường như không hoàn toàn bị thuyết phục về cách giải thích vũ trụ học về khám phá của họ, Penzias và Wilson đã đặt cho ghi chú của họ một tiêu đề khiêm tốn: Đo nhiệt độ quá mức của ăng-ten ở 4080 MHz. Họ chỉ thông báo rằng "các phép đo nhiệt độ tiếng ồn của thiên đỉnh hiệu dụng ... cho giá trị cao hơn 3,5 K so với dự kiến", và tránh bất kỳ đề cập nào đến vũ trụ học, ngoại trừ cụm từ rằng "một lời giải thích có thể cho nhiệt độ tiếng ồn vượt quá quan sát được được đưa ra bởi Dicke, Peebles, Roll, và Wilkinson trong một bức thư kèm theo trong cùng một số của tạp chí.

Trong những năm tiếp theo, nhiều phép đo đã được thực hiện ở các bước sóng khác nhau từ hàng chục cm đến phần nhỏ của milimét. Các quan sát đã chỉ ra rằng phổ CMB tương ứng với công thức Planck, vì nó phải dành cho bức xạ có nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ này đã được xác nhận là khoảng 3 K. Nó đã được thực hiện khám phá tuyệt vời, điều này chứng tỏ rằng Vũ trụ đã nóng khi bắt đầu mở rộng.

Đó là sự đan xen phức tạp của các sự kiện mà đỉnh điểm là việc Penzias và Wilson phát hiện ra một Vũ trụ nóng vào năm 1965. Sự hình thành thực tế của nhiệt độ siêu cao vào thời kỳ đầu của sự giãn nở của Vũ trụ là điểm khởi đầu nghiên cứu chính, dẫn đến việc tiết lộ không chỉ bí mật vật lý thiên văn, mà còn cả bí mật về cấu trúc của vật chất.

Các phép đo chính xác nhất về bức xạ phông vi sóng vũ trụ đã được thực hiện từ không gian: đó là thí nghiệm Relikt trên vệ tinh Prognoz-9 của Liên Xô (1983-1984) và thí nghiệm DMR (Máy đo bức xạ vi sóng vi sai) trên vệ tinh COBE của Mỹ (Nền vũ trụ Explorer, tháng 11 năm 1989–1993). Người sau này đã giúp xác định chính xác nhất nhiệt độ của bức xạ di tích: 2,725 ± 0,002 K.

Nền vi sóng là "ête mới".

Vì vậy, phổ bức xạ di tích với rất độ chính xác cao tương ứng với bức xạ vật đen (tức là được mô tả bởi công thức Planck) với nhiệt độ T = 2,73 K. Tuy nhiên, có những sai lệch nhỏ (khoảng 0,1%) so với nhiệt độ trung bình này, tùy thuộc vào hướng mà phép đo được thực hiện trên bầu trời. Thực tế là bức xạ phông vi sóng vũ trụ chỉ là đẳng hướng trong hệ tọa độ liên kết với toàn bộ hệ thống các thiên hà đang rút lui, trong cái gọi là "hệ quy chiếu đi tới", mở rộng cùng với Vũ trụ. Trong bất kỳ hệ tọa độ nào khác, cường độ bức xạ phụ thuộc vào hướng. Trước hết, điều này được gây ra bởi sự chuyển động của thiết bị đo so với nền vi sóng vũ trụ: hiệu ứng Doppler dẫn đến "màu xanh lam" của các photon bay về phía thiết bị và dẫn đến "màu đỏ" của các photon bắt kịp nó.

Trong trường hợp này, nhiệt độ đo được so với giá trị trung bình (T 0) phụ thuộc vào hướng chuyển động: T \ u003d T 0 (1 + (v / c) cos tôi), trong đó v là tốc độ của thiết bị trong hệ tọa độ gắn với bức xạ nền; c là tốc độ ánh sáng, tôi là góc giữa vectơ vận tốc và hướng quan sát. Trong bối cảnh phân bố nhiệt độ đồng đều, hai "cực" xuất hiện - ấm theo hướng chuyển động và mát theo hướng ngược lại. Do đó, độ lệch so với tính đồng nhất như vậy được gọi là "lưỡng cực". Thành phần lưỡng cực trong sự phân bố của bức xạ phông vi sóng vũ trụ đã được phát hiện ngay cả khi quan sát trên mặt đất: theo hướng của chòm sao Leo, nhiệt độ của bức xạ này cao hơn trung bình 3,5 mK và theo hướng ngược lại ( chòm sao Bảo Bình) nó cũng thấp hơn mức trung bình. Do đó, chúng ta đang di chuyển so với bức xạ nền với tốc độ khoảng 400 km / s. Độ chính xác của phép đo hóa ra cao đến mức thậm chí còn tìm thấy các biến thể hàng năm trong thành phần lưỡng cực, gây ra bởi vòng quay của Trái đất quanh Mặt trời với tốc độ 30 km / s.

Các phép đo với Vệ tinh nhân tạo Trái đất đã tinh chỉnh đáng kể những dữ liệu này. Theo dữ liệu của COBE, sau khi tính đến quỹ đạo chuyển động của Trái đất, nó chỉ ra rằng hệ Mặt trời chuyển động theo cách mà biên độ của thành phần lưỡng cực của nhiệt độ CMB là D T = 3,35 mK; tương ứng với tốc độ chuyển động V = 366 km / s. Mặt trời di chuyển so với bức xạ theo hướng của biên giới của các chòm sao Leo và Chòm sao, đến điểm với tọa độ xích đạo a = 11 giờ 12 m và d = –7,1 ° (kỷ nguyên J2000); tương ứng với tọa độ thiên hà l = 264,26 ° và b = 48,22 °. Tính toán chuyển động của chính Mặt trời trong Thiên hà cho thấy rằng, so với tất cả các thiên hà trong Nhóm địa phương, Mặt trời di chuyển với tốc độ 316 ± 5 km / s theo hướng l 0 = 93 ± 2 ° và b 0 = –4 ± 2 °. Do đó, bản thân chuyển động của Nhóm cục bộ so với nền vi sóng vũ trụ xảy ra với tốc độ 635 km / s theo hướng khoảng l= 269 ° và b= + 29 °. Điều này xấp xỉ ở một góc 45 ° so với hướng đến trung tâm của cụm thiên hà trong Xử Nữ (Virgo).

Nghiên cứu chuyển động của các thiên hà trên quy mô lớn hơn cho thấy rằng tập hợp các cụm thiên hà lân cận (119 cụm từ danh mục Abel trong phạm vi 200 Mpc tính từ chúng ta) chuyển động như một tổng thể so với CMB với tốc độ khoảng 700 km / s. Do đó, vùng lân cận của chúng ta trong Vũ trụ đang trôi nổi trong biển bức xạ phông vi sóng vũ trụ với một tốc độ đáng chú ý. Các nhà vật lý thiên văn đã nhiều lần chú ý đến thực tế là sự tồn tại của bức xạ phụ thuộc và hệ quy chiếu được lựa chọn gắn liền với nó đã gán cho bức xạ này vai trò của một "ête mới". Nhưng không có gì thần bí trong điều này: mọi thứ phép đo vật lý trong hệ quy chiếu này tương đương với các phép đo trong bất kỳ hệ thống quán tính thẩm quyền giải quyết. (Thảo luận về vấn đề của "ête mới" liên quan đến nguyên lý Mach có thể được tìm thấy trong cuốn sách: Zel'dovich Ya.B., Novikov I.D. Cấu trúc và sự tiến hóa của Vũ trụ. M., 1975).

Dị hướng của bức xạ di tích.

Nhiệt độ của CMB chỉ là một trong những thông số mô tả Vũ trụ sơ khai. Trong các đặc tính của bức xạ này, các dấu vết rõ ràng khác của rất thời kỳ đầu sự tiến hóa của thế giới của chúng ta. Các nhà vật lý thiên văn tìm thấy những dấu vết này bằng cách phân tích quang phổ và tính không đồng nhất trong không gian (dị hướng) của CMB.

Theo lý thuyết về Vũ trụ nóng, sau khoảng 300 nghìn năm sau khi bắt đầu giãn nở, nhiệt độ của vật chất và bức xạ liên kết với nó giảm xuống còn 4000 K. Ở nhiệt độ này, các photon không thể ion hóa các nguyên tử hydro và helium nữa. Do đó, trong khoảng thời gian tương ứng với độ lệch đỏ z = 1400, sự tái kết hợp plasma nóng xảy ra, kết quả là plasma biến thành khí trung hòa. Tất nhiên, không có thiên hà và ngôi sao vào thời đó. Chúng nảy sinh sau đó rất nhiều.

Sau khi trở nên trung tính, chất khí lấp đầy Vũ trụ thực tế trong suốt đối với bức xạ di tích (mặc dù trong thời đại đó, nó không phải là sóng vô tuyến, mà là ánh sáng trong phạm vi hồng ngoại nhìn thấy và gần). Do đó, bức xạ cổ truyền tới chúng ta hầu như không bị cản trở từ chiều sâu của không gian và thời gian. Tuy nhiên, trong quá trình này, nó vẫn trải qua một số ảnh hưởng và cách địa điểm khảo cổ mang dấu vết của các sự kiện lịch sử.

Ví dụ, trong kỷ nguyên tái tổ hợp, các nguyên tử phát ra nhiều photon có năng lượng theo bậc 10 eV, cao hơn hàng chục lần so với năng lượng trung bình các photon của bức xạ cân bằng của thời đại đó (ở T = 4000 K, có rất ít photon năng lượng như vậy, khoảng một phần tỷ của chúng Tổng số). Do đó, bức xạ tái tổ hợp sẽ phải làm sai lệch mạnh mẽ phổ Planck của bức xạ phông vi sóng vũ trụ trong dải bước sóng khoảng 250 μm. Đúng như vậy, các tính toán đã chỉ ra rằng sự tương tác mạnh của bức xạ với vật chất sẽ dẫn đến thực tế là năng lượng được giải phóng chủ yếu sẽ "tiêu tan" trên một vùng rộng của quang phổ và sẽ không làm biến dạng nó nhiều, nhưng các phép đo chính xác trong tương lai sẽ có thể nhận thấy sự biến dạng này cũng vậy.

Và rất lâu sau đó, trong kỷ nguyên hình thành các thiên hà và thế hệ sao đầu tiên (ở z ~ 10), khi một khối lượng khổng lồ của vật chất gần như đã nguội lại gặp phải sự nóng lên đáng kể, thì phổ CMB có thể thay đổi một lần nữa, bởi vì, sự tán xạ khi nóng electron, photon năng lượng thấp tăng năng lượng của chúng (cái gọi là "hiệu ứng nghịch đảo Compton"). Cả hai hiệu ứng được mô tả ở trên đều làm sai lệch phổ của bức xạ phông vi sóng vũ trụ trong vùng bước sóng ngắn của nó, vùng ít được nghiên cứu nhất cho đến nay.

Mặc dù trong thời đại của chúng ta hầu hết vật chất thông thường được đóng gói dày đặc trong các ngôi sao, và những vật chất trong các thiên hà, tuy nhiên, ngay cả ở gần chúng ta, bức xạ phông vi sóng vũ trụ có thể gây ra sự biến dạng quang phổ đáng chú ý nếu các tia của nó đi qua một cụm thiên hà lớn trên đường đến Trái đất. Thông thường, các cụm như vậy chứa đầy một loại khí giữa thiên hà hiếm nhưng rất nóng với nhiệt độ khoảng 100 triệu K. tần số thấp, vùng Rayleigh-Jeans của phổ vào vùng tần số cao, có lỗi. Hiệu ứng này đã được R.A. Sunyaev và Ya.B. Zeldovich dự đoán và được các nhà thiên văn học vô tuyến phát hiện theo hướng của nhiều cụm thiên hà dưới dạng giảm nhiệt độ bức xạ trong vùng Rayleigh-Jeans của quang phổ 1–3 mK. . Hiệu ứng Sunyaev-Zel'dovich là hiệu ứng đầu tiên được phát hiện trong số các hiệu ứng tạo ra dị hướng của bức xạ di tích. Việc so sánh độ lớn của nó với độ sáng tia X của các cụm thiên hà giúp xác định độc lập hằng số Hubble (H = 60 ± 12 km / s / Mpc).

Hãy quay trở lại thời đại tái tổ hợp. Ở tuổi dưới 300.000 năm, Vũ trụ là một plasma gần như đồng nhất, gây rùng mình khi phát ra âm thanh, hay đúng hơn là sóng hạ âm. Tính toán của các nhà vũ trụ học nói rằng những sóng nén và giãn nở này của vật chất cũng tạo ra những dao động về mật độ bức xạ trong plasma mờ đục, và do đó bây giờ chúng nên được phát hiện như một "sự phồng lên" đáng chú ý trong bức xạ phông vi sóng vũ trụ gần như đồng nhất. Do đó, ngày nay nó sẽ đến Trái đất từ ​​các hướng khác nhau với cường độ hơi khác nhau. Trong trường hợp này, chúng ta không nói về một dị hướng lưỡng cực tầm thường gây ra bởi chuyển động của người quan sát, mà là về các biến thể cường độ thực sự vốn có trong bản thân bức xạ. Biên độ của chúng phải cực kỳ nhỏ: xấp xỉ một phần trăm nghìn nhiệt độ bức xạ, tức là khoảng 0,00003 K. Chúng rất khó đo lường. Những nỗ lực đầu tiên để xác định cường độ của những dao động nhỏ này tùy thuộc vào hướng trên bầu trời được thực hiện ngay sau khi phát hiện ra bức xạ di tích vào năm 1965. Sau đó, họ không dừng lại, mà khám phá chỉ diễn ra vào năm 1992 bằng cách sử dụng thiết bị được đưa ra bên ngoài. Trái đất. Ở nước ta, các phép đo như vậy được thực hiện trong thí nghiệm Relikt, nhưng những dao động nhỏ này được ghi lại một cách tự tin hơn từ vệ tinh COBE của Mỹ (Hình 1).

Gần đây, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện và lên kế hoạch để đo biên độ dao động của bức xạ phông vi sóng vũ trụ trong các thang góc khác nhau, từ độ đến giây của cung. Đa dạng hiện tượng vật lý, xảy ra trong những khoảnh khắc đầu tiên của sự sống của Vũ trụ, lẽ ra phải để lại dấu ấn đặc trưng của chúng trong bức xạ đến với chúng ta. Lý thuyết dự đoán mối quan hệ nhất định giữa kích thước của các điểm lạnh và điểm nóng trong cường độ CMB và độ sáng tương đối của chúng. Sự phụ thuộc rất đặc biệt: nó chứa thông tin về các quá trình ra đời của Vũ trụ, về những gì đã xảy ra ngay sau khi ra đời, cũng như về các thông số của Vũ trụ ngày nay.

Độ phân giải góc của các quan sát đầu tiên - trong các thí nghiệm Relict-2 và COBE - rất kém, khoảng 7 °, do đó thông tin về các dao động của CMB không đầy đủ. Trong những năm tiếp theo, các quan sát tương tự đã được thực hiện với sự trợ giúp của cả kính thiên văn vô tuyến trên mặt đất (ở nước ta, thiết bị RATAN-600 với khẩu độ không lấp đầy đường kính 600 m được sử dụng cho mục đích này) và kính thiên văn vô tuyến leo bóng bay vào các lớp trên của khí quyển.

Một bước cơ bản trong nghiên cứu tính dị hướng của bức xạ phông vi sóng vũ trụ là thí nghiệm Boomerang (BOOMERANG), do các nhà khoa học từ Mỹ, Canada, Ý, Anh và Pháp thực hiện bằng khinh khí cầu không người lái của NASA (Mỹ) có khối lượng 1 triệu. mét khối, từ ngày 29 tháng 12 năm 1998 đến ngày 9 tháng 1 năm 1999 đã tạo thành vòng tròn ở độ cao 37 km quanh Nam Cực và sau khi bay khoảng 10 nghìn km, thả gondola với các dụng cụ trên một chiếc dù cách địa điểm phóng 50 km. Các quan sát được thực hiện bằng kính thiên văn submillimetre với gương chính có đường kính 1,2 m, tiêu điểm của nó là một hệ thống bu lông kế được làm mát đến 0,28 K, đo nền ở bốn kênh tần số (90, 150, 240 và 400 GHz) với độ phân giải góc 0,2–0 .3 độ. Trong suốt chuyến bay, các quan sát bao phủ khoảng 3% thiên cầu.

Nhiệt độ không đồng nhất của bức xạ di tích với biên độ đặc trưng 0,0001 K được đăng ký trong thí nghiệm Boomerang đã xác nhận tính đúng đắn của mô hình "âm học" và cho thấy rằng hình học không-thời gian bốn chiều của Vũ trụ có thể được coi là phẳng. Thông tin thu được cũng giúp chúng ta có thể phán đoán thành phần của Vũ trụ: người ta khẳng định rằng vật chất baryonic thông thường, bao gồm các ngôi sao, hành tinh và khí giữa các vì sao, chỉ chiếm khoảng 4% khối lượng; và 96% còn lại được chứa trong các dạng vật chất chưa được biết đến.

Thí nghiệm Boomerang được bổ sung một cách hoàn hảo bởi một thí nghiệm MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array) tương tự, được thực hiện chủ yếu bởi các nhà khoa học ở Hoa Kỳ và Ý. Thiết bị của họ, đã bay vào tầng bình lưu vào tháng 8 năm 1998 và tháng 6 năm 1999, khám phá chưa đến 1% thiên cầu, nhưng với độ phân giải góc cao: khoảng 5 ". Khí cầu đã thực hiện các chuyến bay đêm trên lục địa Hoa Kỳ. Gương chính của kính thiên văn có đường kính 1,3 m. Bộ phận tiếp nhận của thiết bị bao gồm 16 máy dò bao gồm 3 dải tần số, các gương thứ cấp được làm lạnh đến nhiệt độ đông lạnh và các tia chớp đều nhiệt độ thấp có thể duy trì đến 40 giờ, giới hạn thời gian của chuyến bay.

Thí nghiệm MAXIMA cho thấy một "gợn sóng" nhỏ trong phân bố góc của nhiệt độ CMB. Dữ liệu của nó được bổ sung bằng các quan sát từ một đài quan sát trên mặt đất sử dụng giao thoa kế DASI (Degree Angular Scale Interferometer) được lắp đặt bởi các nhà thiên văn học vô tuyến tại Đại học Chicago (Hoa Kỳ) tại cực Nam. Giao thoa kế đông lạnh 13 phần tử này đã quan sát thấy ở mười kênh tần số trong phạm vi 26-36 GHz và tiết lộ những dao động thậm chí còn nhỏ hơn trong CMB, và sự phụ thuộc của biên độ của chúng vào kích thước góc cũng xác nhận lý thuyết về dao động âm học được thừa hưởng từ Vũ trụ trẻ. .

Ngoài các phép đo cường độ bức xạ di tích từ bề mặt Trái đất, các thí nghiệm không gian cũng được lên kế hoạch. Năm 2007, người ta dự định phóng kính viễn vọng vô tuyến Planck (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) vào không gian. Độ phân giải góc của nó sẽ cao hơn đáng kể và độ nhạy của nó tốt hơn khoảng 30 lần so với trong thí nghiệm COBE. Do đó, các nhà vật lý thiên văn hy vọng rằng nhiều sự thật về sự khởi đầu của sự tồn tại của Vũ trụ của chúng ta sẽ được làm sáng tỏ (xem Hình 1).

Vladimir Surdin

Văn chương:

Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. M., 1975
Vũ trụ học: Lý thuyết và Quan sát. M., 1978
Weinberg S. Ba phút đầu tiên. Một quan điểm hiện đại về nguồn gốc của vũ trụ. M., 1981
Silk J. Vụ nổ lớn. Sự ra đời và tiến hóa của vũ trụ. M., 1982
Sunyaev R.A. Bức xạ nền vi sóng. - Trong sách: Vật lý vũ trụ: Bách khoa toàn thư. M., 1986
Dolgov A.D., Zeldovich Ya.B., Sazhin M.V. Vũ trụ học của vũ trụ sơ khai. M., 1988
Novikov I.D. Sự tiến hóa của vũ trụ. M., 1990