Реликтовое излучение

Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение от ) — космическое электромагнитное излучение, которое приходит со всех направлений примерно с равной интенсивностью, и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой ~3 К. Это излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной.

Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва расширяющаяся вселенная остыла примерно до 3000 К и, в результате, протоны и электроны образовали атомы водорода. Это сделало Вселенную прозрачной для существовавшего в ней в то время излучения. В дальнейшем в результате красного смещения, вызванного расширением Вселенной, температура излучения снизилась и сейчас составляет около 3 К.

Существование реликтового излучения было подтверждено в 1965 году при наблюдении электромагнитного излучения на длине волны 7,35 см.

WMAP.jpg Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

Свойства

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию, вызванную доплеровским смещением реликтового излучения из-за нашей собственной скорости. Дипольная анизотропия реликтового излучения соответствует движению Земли со скоростью 600 км/с по направлению к созвездию Девы. Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти измерения стали наиболее точными на сегодняшний день измерениями спектра абсолютно черного тела.

Реликтовое излучение предсказано теорией Большого Взрыва. Согласно теории, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов. Фотоны находились в постоянном взаимодействии с плазмой благодаря эффекту Комптона. По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывает остывание плазмы и в некоторый момент для электронов становится предпочтительней, соединяясь с ядрами водорода и гелия, формирование атомов. Это случается при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной в 400000 лет. С этого момента фотоны перестают рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и начинают свободно перемещаться в пространстве. Этот процесс был назван разрывом связей или рекомбинацией.

История исследования

Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали до этого, они страдали от слабых мест. Во-первых, они были измерениями фактической температуры пространства и не предполагали, что пространство заполнено по термическому спектру Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако, они быль вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов. В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone лаборатории в Холмдейле штата Нью-Джерси построили радиометр Дикке, который они намеревались использовать для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. Антенна прибора имела избыточную температуру в 3.5К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорвали куш, парни». Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию за их открытие.

От первой теории горячего Большого взрыва только и осталось, что предсказанная температура реликтового излучения. Все остальные части теории Гамова были пересмотрены и опровергнуты.

Отношение к Большому Взрыву

Стандартная модель возникновения Вселенной в рамках теории Большого Взрыва требует, чтобы начальные условия Вселенной описывались Гауссовским случайным полем близким к масштабно инвариантному или со спектром Гаррисона-Зельдовича. Это, например, предсказывает инфляционная модель Вселенной. Это означает, что начальное состояние Вселенной является случайным, но в чётко определённых рамках, при которых амплитуда первичных неоднородностей составляет 10^-5. Следовательно, осмысленные утверждения о неоднородностях Вселенной должны быть статистическими по природе. Это приводит к идее космического отклонения, при которых неопределённости в отклонении наблюдаемых во Вселенной флуктуаций самого большого масштаба трудно аккуратно сравнивать с теорией.

Первичная анизотропия

Поляризация

Вторичная анизотропия

Наблюдения реликтового излучения

Анализ

Анализ реликтового излучения с целью получения карт, углового спектра мощности и конечном итоге космологических параметров является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, разбивающим карту неба на сферические гармоники, на практике трудно учитывать шумовые эффекты. В общем случае эти проблемы не удается решить «грубой силой» и вместо этого необходимо использовать оптимизационные методы такие как Monte Carlo моделирование Марковских цепей.

Слабые мультиполи

Физика

Космология

Астрофизика

Gourt Home::Gourt :: Реликтовое излучение