Реликтовое излучение

Реликтовое излучение (космическое микроволновое фоновое излучение) — это электромагнитное излучение, равномерно заполняющее всю наблюдаемую Вселенную, обладающее спектром абсолютно чёрного тела с температурой около 2,725 К. Является одним из главных наблюдательных подтверждений теории Большого взрыва и представляет собой «отпечаток» ранней горячей фазы эволюции Вселенной.

История открытия

Теоретическое предсказание

В 1940-х годах физик Георгий Гамов, работая над теорией горячей Вселенной, предсказал существование излучения, оставшегося после первичного взрыва. Вместе с Ральфом Альфером и Робертом Херманом он рассчитал, что после остывания Вселенной это излучение должно наблюдаться в микроволновом диапазоне с температурой около 5 К. Однако в то время технология не позволяла провести проверку, и предсказание осталось незамеченным.

Экспериментальное обнаружение

В 1964 году американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон, работавшие в лаборатории Bell Telephone Laboratories, проводили калибровку рупорной антенны для спутниковой связи. Они обнаружили постоянный шумовой сигнал, который не зависел от времени суток, направления антенны и времени года. После тщательной проверки (включая удаление голубиного помёта из антенны) они исключили все земные источники помех. Узнав о работе физиков из Принстонского университета (Роберт Дикке, Джим Пиблс и другие), которые теоретически обосновали существование такого излучения, Пензиас и Уилсон поняли, что открыли реликтовое излучение. В 1978 году за это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике.

Свойства и характеристики

Спектр

Реликтовое излучение имеет спектр, в высшей степени точно соответствующий спектру абсолютно чёрного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К. Максимум интенсивности приходится на длину волны около 1,9 мм (микроволновый диапазон). Это одно из самых точных совпадений с теоретическим спектром, известных в физике.

Изотропность

Излучение чрезвычайно однородно (изотропно) по всему небу. Отклонения от средней температуры (анизотропия) составляют всего около 18 мкК (микрокельвинов) в масштабе углов порядка 10° и менее. Эти微小 флуктуации, открытые спутником COBE в 1992 году, являются «зародышами» будущих галактик и скоплений галактик.

Поляризация

Реликтовое излучение обладает слабой поляризацией (на уровне нескольких микрокельвинов), которая несёт информацию о процессах, происходивших в ранней Вселенной, в частности о гравитационных волнах.

Происхождение

Согласно теории Большого взрыва, в первые мгновения после рождения Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. Вещество и излучение находились в состоянии термодинамического равновесия — фотоны постоянно взаимодействовали с электронами и протонами, не позволяя им образовывать атомы. Такая среда была непрозрачной для излучения.

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва (при красном смещении z ≈ 1100) Вселенная остыла до температуры около 3000 К. Энергии фотонов стало недостаточно для ионизации водорода, и началась рекомбинация — электроны соединились с протонами, образовав нейтральные атомы. С этого момента фотоны перестали рассеиваться на свободных электронах и получили возможность свободно распространяться в пространстве. Именно эти фотоны, остывшие за 13,8 миллиардов лет расширения Вселенной до температуры 2,7 К, и наблюдаются сегодня как реликтовое излучение.

Анизотропия

Дипольная анизотропия

Наиболее заметная компонента анизотропии — дипольная, обусловленная движением Солнечной системы относительно системы покоя реликтового излучения. Из-за эффекта Доплера в направлении движения наблюдается небольшое увеличение температуры (примерно на 3,35 мК), а в противоположном — такое же уменьшение. Это позволяет определить скорость движения Земли относительно Вселенной — около 370 км/с.

Первичная анизотропия

Малые флуктуации температуры (на уровне 10⁻⁵) отражают неоднородности плотности материи в эпоху рекомбинации. Эти неоднородности, возникшие из квантовых флуктуаций в первые мгновения после Большого взрыва, впоследствии под действием гравитации сформировали крупномасштабную структуру Вселенной — галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Значение для космологии

Реликтовое излучение является краеугольным камнем современной космологии. Оно предоставляет уникальную информацию о ранней Вселенной и позволяет:

• Подтвердить теорию Большого взрыва. Обнаружение излучения с предсказанными свойствами стало решающим аргументом в пользу этой теории, вытеснив конкурирующие модели (например, стационарную Вселенную).
• Определить возраст Вселенной. Анализ спектра мощности флуктуаций реликтового излучения позволил с высокой точностью установить возраст Вселенной — 13,787 ± 0,020 миллиарда лет.
• Измерить космологические параметры. Данные реликтового излучения позволяют определить плотность Вселенной, её кривизну (она оказалась практически плоской), содержание обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии.
• Изучить физику ранней Вселенной. Поляризация реликтового излучения может нести информацию о процессах, происходивших в первые мгновения после Большого взрыва, включая возможную стадию инфляции.

Инструменты исследования

Для изучения реликтового излучения используются как наземные, так и космические обсерватории, работающие в микроволновом и субмиллиметровом диапазонах. Ключевые миссии:

• COBE (1989–1993) — первая космическая миссия, которая измерила спектр реликтового излучения с высокой точностью и впервые обнаружила его анизотропию.
• WMAP (2001–2010) — картографировала анизотропию с гораздо более высоким разрешением, позволив получить точные значения космологических параметров.
• Planck (2009–2013) — миссия Европейского космического агентства, которая достигла наивысшего на сегодняшний день разрешения и чувствительности, предоставив наиболее полные данные о реликтовом излучении.

Интересные факты

• Реликтовое излучение является самым древним светом, который можно наблюдать во Вселенной. Оно возникло, когда Вселенной было всего 380 000 лет.
• Каждый кубический сантиметр пространства содержит около 410 фотонов реликтового излучения.
• Из-за расширения Вселенной длина волны реликтового излучения постоянно увеличивается, а температура — падает. Через несколько миллиардов лет оно станет невидимым для современных радиотелескопов.
• Помехи от реликтового излучения могут быть заметны при настройке старого аналогового телевизора, подключённого к антенне: около 1% «снега» на экране обусловлено именно этим излучением.

Источники

• Пензиас А. А., Уилсон Р. В. Измерение избыточной температуры антенны на 4080 МГц // Астрофизический журнал. — 1965. — Т. 142. — С. 419–421.
• Материалы миссии Planck (Planck Collaboration). Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck // Astronomy & Astrophysics. — 2020. — Vol. 641. — A1.
• Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной. — М.: Эксмо, 2019.
• Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. — М.: Наука, 1990.