Реликтовые излучения

В современную эпоху, когда возраст Вселенной составляет 13,7 млрд. лет, реликтовое излучение приходит из сферического слоя вокруг нас, толщина которого значительно меньше расстояния до него. Его называют сферой последнего рассеяния реликтового излучения. Высокая изотропность приходящего излучения указывает на такую же однородность и изотропность распределения вещества на сфере последнего рассеяния. Но в наше время наблюдается противоположная картина: вещество сконцентрировано в звездах, галактиках, скоплениях галактик. Они сформировались и существуют благодаря гравитации. Известный советский физик Евгений Лившиц еще в 1946 г. вывел закон развития возмущений плотности и скорости вещества в расширяющейся Вселенной. Из него следовало, что для образования галактик или скоплений галактик под действием самогравитации необходимы зародышевые неоднородности соответствующего масштаба, сгенерированные на самых ранних стадиях расширения Вселенной. Это означает, что такие неоднородности должны существовать на сфере последнего рассеяния и нарушать изотропию реликтового фона. Американские астрофизики Р. Сакс и А. Вольф в 1967 г. первыми исследовали этот эффект теоретически. Они показали, что возмущения плотности и скорости вещества, а также возмущения метрики пространства-времени (фактически гравитационного поля) вызывают угловые вариации температуры реликтового излучения на уровне 0,1% на больших угловых масштабах (более 10°). В теории анизотропии реликтового излучения его называют теперь эффектомСаксаВольфа.В следующем году Дж. Силк из Оксфордского университета детально исследовал анизотропию на меньших угловых масштабах, где основной вклад должен давать эффект разности скоростей движения (эффект Доплера), а также неоднородности температуры и плотности (адиабатический эффект) различных областей расширяющейся Вселенной. Силк показал, что упомянутые возмущения галактических и больших масштабов «выживают» в горячей плазме, в то время как меньшие быстро затухают. По его оценкам вследствие этих эффектов на угловых масштабах около 1° ожидаемые отклонения температуры должны быть порядка 0,2%.Эти работы положили начало очень важного направления современной космологии – теории анизотропии реликтового излучения. Они также стимулировали постановку экспериментов для регистрации этой анизотропии. Очевидно, что столь малые отклонения можно зарегистрировать только при чрезвычайно прецизионных измерениях. Однако ни первый такой эксперимент, проведенный в конце 60-х годов, ни последующие – в 70-х и 80-х – не имели успеха. Чувствительность инструментов постепенно возрастала, но результата все не было…В конце 70-х радиотелескопы микроволнового диапазона могли регистрировать угловые вариации температуры реликтового излучения порядка 0,05%, десятилетием позже – до 0,02%. Самым дорогим и чувствительным инструментом того времени, созданным для этих исследований, был советский космический телескоп «Реликт» (1983-1984 гг.), размещенный на искусственном спутнике Земли «Прогноз-9». Он провел измерения отклонений температуры от средней, сканируя разные участки неба на частоте 37 ГГц с угловой разрешающей способностью ~ 6° и чувствительностью 0,0006 K. За полгода было «осмотрено» все небо, осуществлено около 15 млн. измерений. Проектом руководил заведующий лабораторией Института космических исследований Игорь Струков. Первые результаты обработки данных появились в январском номере журнала «Письма в Астрономического журнал» за 1984 г. Они указывали на отсутствие отклонений температуры, превышающих 0,0002 K. Более основательная обработка данных, проведенная в последующие три года, еще примерно вчетверо снизила уровень, выше которого вариаций уверенно нет, то есть вариации температуры ΔT/T, связанные с неоднородностями в больших масштабах, не превышают величины 2×10-5. Такой поворот событий уже вызвал беспокойство в кругах теоретиков – дальнейшее снижение уровня анизотропии означало бы ошибочность разработанной на тот момент теории формирования структуры Вселенной.В 1989 г. начались измерения вариаций температуры реликтового излучения высокочувствительным дифференциальным микроволновым радиометром DMR, установленным на американской космической обсерватории COBE. Было просканировано все небо с разрешающей способностью ~ 7° на трех частотах: 32, 53 и 90 ГГц. Это дало возможность эффективнее учесть (и исключить) вклад излучения более близких галактических и внегалактических источников. Результаты обработки полученных данных появились в сентябрьском номере американского журнала TheAstrophysicalJournal за 1992 г. и вызвали сенсацию. Наконец-то анизотропия реликтового излучения была зарегистрирована! Ее характерная величина на масштабах свыше 7° составляла 1,1×10-5. Научным руководителем проекта DMR был Джордж Смут.Регистрация флуктуаций температуры реликтового излучения в эксперименте COBE стала подтверждением еще двух ключевых идей современной космологии, касающихся существования темной материи и кратковременной фазы экспоненциального расширения очень ранней Вселенной — инфляции. Действительно, предусмотренная Саксом и Вольфом амплитуда угловых вариаций температуры реликтового излучения до ~ 0,1% в больших масштабах базировалась на теории гравитационной неустойчивости расширяющейся Вселенной, содержащей только барионное вещество и излучение. Отсутствие вариаций с такой амплитудой, надежно подтвержденное экспериментами 70-х годов прошлого века, указывало на то, что в больших масштабах либо законы гравитации отличаются от известных нам, либо состав Вселенной другой.В начале 80-х годов группа московских ученых-ядерщиков на основании своих экспериментов заявила, что нейтрино – сверхлегкая частица, практически не взаимодействующая с барионным веществом и возникающая в реакциях термоядерного синтеза – имеют массу покоя порядка 30 электрон-вольт (эВ), что примерно в 30 млн. раз меньше массы покоя протона или нейтрона, из которых состоят ядра атомов. Но количество нейтрино во Вселенной почти в миллиард раз больше! Отсюда следует, что средняя массовая плотность нейтрино значительно превосходит плотность барионного вещества. Поскольку нейтрино не излучают и не поглощают свет, их посчитали одной из составляющих темной материи. В раннюю эпоху, задолго до рекомбинации, нейтрино взаимодействовали с веществом и были разогреты до высоких температур. Такую форму темной материи называют горячей. И хотя измеренное значение массы нейтрино не было подтверждено другими экспериментами, идея темной материи в форме массивных слабовзаимодействующих частиц стала одной из ключевых в современной космологии.Сегодня рассматриваются как холодные, так и теплые ее модели. Структуризация в них идет от объектов меньших масс к большим путем иерархическогоскучивания, что согласуется с наблюдаемыми характеристиками крупномасштабной структуры Вселенной. В присутствии темной материи амплитуда вариаций температуры реликтового излучения значительно меньше, чем в чисто барионной. Это спасало теорию. Определенная в эксперименте COBE амплитуда ΔT/T вместе с современными теоретическими разработками уверенно указывает на существование темной материи в форме массивных слабовзаимодействующих частиц. В эксперименте COBE была впервые получена карта флюктуаций температуры реликтового излучения для всего неба. Даже несмотря на ее сравнительно низкое разрешение, после применения статистических методов анализа она позволила получить уникальную информацию о Вселенной. Были выявлены «горячие» и "холодные" пятна и получен спектр мощности пространственных неоднородностей температуры. Оказалось, что он практически совпадает с тем, который предсказывают инфляционные модели ранней Вселенной.После того, как существование анизотропии реликтового излучения было подтверждено в десятках других экспериментов, Джорджу Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за 2006 г. (совместно с Джоном Мазером).В представлении комитета говорилось: "результаты наблюдений обсерватории COBE являются отправной точкой космологии как точной науки". Эта премия вручалась на фоне следующей успешной космической миссии – WMAP (WilkinsonMikrowaveAnisotropyProbe).ЗаключениеОткрытие в 1965 годукосмического микроволнового фонового излучения имело колоссальное значение для развития космологии. Это открытие стало одним из наиболее важных достижений в естествознании XX века и, без сомнений, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик.Слабое реликтовое излучение дает нам информацию о первых мгновениях существования Вселенной, о том далеком времени, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовалони галактик, ни звезд, ни планет. Проведенные за последние годы детальные измерения этого излучения при помощи космических, стратосферных и наземных обсерваторий приоткрывают для нас завесу над тайной рождения Вселенной.В данной работе описываются история открытия и свойства космического микроволнового фонового (реликтового) излучения. Дается представление об анизотропии этого излучения, ее происхождении, величине, характеристиках, трудностях и результатах наблюдений, позволяющих выбрать наиболее адекватную модель Вселенной.Список использованных источников1. Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д. Реликтовое излучение Вселенной. М., Наука, 2003. – 380 с.2. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М.: Наука, 1975. – 738с.3. PeeblesP. J. E. PrinciplesofPhysical Cosmology.Prinston: Prinston university press, 1993. 718 p.4. Зельдович Я. Б., Сюняев Р. А. Межгалактический газ в скоплениях галактик, микроволновое фоновое излучение и космология // Астрофизика и космическая физика / Ред. Р. А Сюняев. М.: Наука, 1982.5. Дорошкевич А. Г., Зельдович Я. Б., Сюняев Р. А. Флуктуации реликтового излучения в адиабатической и энтропийной теориях образования галактик // Астрон. журн. 1978. Т. 55. N 5.6. Dicke R. H., Roll P. G., Peebles P. J. E., Wilkinson D. T. Cosmic black-body radiation // Astrophys. J. 1965. Vol. 142.N 1.P. 414–419.7. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. М., 1988 г.8. Sazonov S. Y., Sunyaev R. A. Microwave polarization in the direction of galaxy clusters induced by the CMB quadrupole anisotropy // Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 1999. Vol. 310. N 3. P. 765–772.9. ПарийскийЮ. Н. Новаяоценка флуктуаций реликтового излучения Вселенной // Астрономический журнал1972. Т. 50. № 3. С. 452–457.