Одним из интересных открытий, связанных с электромагнитным спектром, является реликтовое излучение Вселенной . Открыто оно было случайно, хотя возможность его существования была предсказана.

История открытия реликтового излучения

История открытия реликтового излучения началась в 1964 году. Сотрудники американской лаборатории Белл Телефон разрабатывали систему связи с помощью искусственного спутника Земли. Работать эта система должна была на волнах длиной 7,5 сантиметра. Столь короткие волны применительно к спутниковой радиосвязи имеют некоторые преимущества, но до Арно Пензиаса и Роберта Уилсона никто этой проблемы не решал. Они были первооткрывателями в этой сфере и должны были позаботиться о том, чтобы на той же волне не оказалось сильных помех, или чтобы о таких помехах работники связи знали заранее. В то время считали, что источником радиоволн, идущих из космоса, могут быть лишь точечные объекты вроде радиогалактик или звезд . Источники радиоволн. В распоряжении ученых были исключительно точный приемник и поворотная рупорная антенна. С их помощью ученые могли прослушать весь небесный свод примерно так, как врач прослушивает грудь больного с помощью стетоскопа.

Сигнал природного источника

И вот едва антенну навели на одну из точек небосвода, как на экране осциллографа заплясала кривая линия. Типичный сигнал природного источника . Наверное, специалисты удивились своему везению: в первой же замеренной точке - источник радиоизлучения! Но куда бы они ни направляли свою антенну, эффект оставался тот же. Ученые вновь и вновь проверяли исправность аппаратуры, но она была в полном порядке. И наконец они поняли, что открыли неизвестное ранее явление природы: вся Вселенная оказалась как бы наполнена радиоволнами сантиметровой длины . Если бы мы могли видеть радиоволны, небесный свод представился бы нам светящимся от края до края.
Радиоволны Вселенной. Открытие Пензиаса и Уилсона было опубликовано. И уже не только они, а и учёные многих других стран начали поиски источников таинственных радиоволн, улавливаемых всеми приспособленными для этой цели антеннами и приемниками, где бы они ни находились и на какую бы точку неба ни нацеливались, причем интенсивность радиоизлучения на волне 7,5 сантиметра в любой точке была абсолютно одинаковой, оно словно бы размазано по всему небу равномерно.

Реликтовое излучение рассчитано учеными

Советские ученые А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, предсказавшие реликтовое излучение до его открытия, произвели сложнейшие подсчеты . Они учли все имеющиеся в нашей Вселенной источники излучения, учли и то, как изменилось излучение тех или иных объектов во времени. И оказалось, что в области сантиметровых волн все эти излучения минимальны и, следовательно, за обнаруженное свечение неба никак не ответственны. Между тем дальнейшие расчеты показали, что плотность размазанного излучения очень велика. Вот сравнение фотонного киселя (так назвали ученые загадочное излучение) с массой всей материи по Вселенной. Если все вещество всех видимых Галактик равномерно «размазать» по всему пространству Вселенной, то на три кубических метра пространства придется лишь один атом водорода (для простоты всю материю звезд будем считать водородом). И в то же время в каждом кубическом сантиметре реального пространства содержится около 500 фотонов излучения. Немало, даже если сравнивать не количество единиц вещества и излучения, а прямо их массы. Откуда же взялось столь интенсивное излучение? В свое время советский ученый А. А. Фридман, решая знаменитые уравнения Эйнштейна, открыл, что наша Вселенная находится в постоянном расширении . Вскоре было найдено подтверждение этому. Американец Э. Хаббл обнаружил явление разбегания Галактик . Экстраполируя это явление в прошлое, можно вычислить момент, когда все вещество Вселенной находилось в весьма малом объеме и плотность его была несравненно большей, чем сейчас. В ходе расширения Вселенной происходит и удлинение длины волны каждого кванта пропорционально расширению Вселенной; при этом квант как бы «охлаждается» - ведь чем меньше длина волны кванта, тем он «горячее». Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру около 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А десять миллиардов лет назад, когда Вселенная была несравненно меньшей, а плотность ее вещества очень большой, эти кванты обладали температурой порядка 10 миллиардов градусов. С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Потому-то «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило название реликтовое излучение. Реликтами , как известно, называются остатки древнейших животных и растений, сохранившихся до наших дней. Кванты сантиметрового излучения - безусловно, самый древний из всех возможных реликтов. Ведь образование их относится к эпохе, отстоящей от нас примерно на 15 миллиардов лет.

Знание о Вселенной принесло реликтовое излучение

Практически ничего нельзя сказать о том, каким было вещество в нулевой момент, когда его плотность была бесконечно большой. Но явления и процессы, происходившие во Вселенной , всего через секунду после ее рождения и даже раньше, до 10~8 секунды, ученые представляют себе уже довольно хорошо. Сведения об этом принесло именно реликтовое излучение . Итак, прошла секунда с нулевого момента. Материя нашей Вселенной имела температуру 10 миллиардов градусов и состояла из своеобразной «каши» реликтовых квантов, электродов, позитронов, нейтрино и антинейтрино . Плотность «каши» была огромной - более тонны на каждый кубический сантиметр. В такой «тесноте» непрерывно происходили столкновения нейтронов и позитронов с электронами, протоны превращались в нейтроны и наоборот. Но больше всего было тут именно квантов - в 100 миллионов раз больше, чем нейтронов и протонов. Конечно, при подобной плотности и температуре не могли существовать никакие сложные ядра вещества: они тут не распадались. Прошло сто секунд. Расширение Вселенной продолжалось, плотность ее непрерывно уменьшалась, температура падала. Позитроны почти исчезли, нейтроны превратились в протоны. Началось образование атомных ядер водорода и гелия. Расчеты, проведенные учеными, показывают, что 30 процентов нейтронов объединились, образуя ядра гелия, 70 же процентов их остались одинокими, стали ядрами водорода. В ходе этих реакций возникали новые кванты, но их количество не шло уже ни в какое сравнение с первоначальным, так что можно считать, что оно и вовсе не изменялось. Расширение Вселенной продолжалось. Плотность «каши», столь круто заваренной природой вначале, снижалась пропорционально кубу линейного расстояния. Проходили годы, столетия, тысячелетия. Прошло 3 миллиона лет. Температура «каши» к этому моменту упала до 3-4 тысяч градусов, плотность вещества также приблизилась к известной нам сегодня, однако сгустки материи, из которых могли бы сложиться звезды и Галактики, возникнуть еще не могли. Слишком велико было в то время лучевое давление, расталкивавшее любое такое образование. Даже атомы гелия и водорода оставались ионизированными: электроны существовали отдельно, протоны и ядра атомов - также отдельно. Только к концу трехмиллионнолетнего периода в остывающей «каше» начали появляться первые сгущения. Их было поначалу очень немного. Едва одна тысячная часть «каши» сгустилась в своеобразные протозвезды, как эти образования начали «гореть» аналогично современным звездам. И исторгаемые ими фотоны и кванты энергии разогрели начавшую было остывать «кашу» до температур, при которых образование новых сгущений опять оказалось невозможным. Периоды остывания и повторного разогревания «каши» вспышками протозвезд чередовались, сменяя друг друга. А на каком-то этапе расширения Вселенной образование новых сгущений стало практически невозможным уже потому, что некогда столь густая «каша» слишком «разжижилась». Примерно 5 процентов материи успело объединиться, а 95 процентов рассеялось в пространстве расширяющейся Вселенной. Так «рассеялись» и некогда горячие кванты, образовавшие реликтовое излучение. Так рассеялись и ядра атомов водорода и гелия, которые входили в состав «каши».

Гипотеза образования Вселенной

Вот одна из : большая часть материи нашей Вселенной находится, отнюдь, не в составе планет, звезд и Галактик, а образует межгалактический газ - 70 процентов водорода и 30 процентов гелия, один атом водорода на кубический метр пространства. Затем развитие Вселенной миновало стадию протозвезд и вступило в стадию обычного для нас вещества, обычных разворачивающихся спиральных Галактик, обычных звезд, самая знакомая из которых - наше . Вокруг некоторых из этих звезд образовались системы планет, по крайней мере, на одной из таких планет возникла жизнь, в ходе эволюции породившая разум. Как часто встречаются в просторах космоса звезды, окруженные хороводом планет, ученые пока еще не знают. Ничего не могут они сказать и о том, как часто .
Хоровод планет. Да и вопрос о том, как часто растение жизни расцветает пышным цветком разума, остается открытым. Известные нам сегодня гипотезы, трактующие все эти вопросы, больше похожи на малообоснованные догадки. Но сегодня наука развивается лавинообразно. Совсем недавно ученые вообще не представляли себе, как начиналась наша . Открытое около 70 лет назад реликтовое излучение позволило нарисовать ту картину. Сегодня у человечества не хватает фактов, опираясь на которые, оно сможет ответить на сформулированные выше вопросы. Проникновение в космическое пространство, посещения Луны и других планет, приносят новые факты. А за фактами следуют уже не гипотезы, а строгие выводы.

Реликтовое излучение говорит об однородности Вселенной

О чем еще рассказали ученым реликтовые лучи, эти свидетели рождения нашей Вселенной? А. А. Фридман решил одно из уравнений, данных Эйнштейном, и на основе этого решения открыл расширение Вселенной. Для того чтобы решить уравнения Эйнштейна, надо было задать так называемые начальные условия. Фридман исходил из предположения, что Вселенная однородна и изотропна, что вещество в ней распределено равномерно. И в течение 5-10 лет, прошедших со дня открытия Фридмана, вопрос о том, правильно ли было это его предположение, оставался открытым. Сейчас он по существу снят. Об изотропности Вселенной свидетельствует удивительная равномерность реликтового радиоизлучения. Второй факт свидетельствует о том же - распределение вещества Вселенной между Галактиками и межгалактическим газом.
Ведь межгалактический газ, составляющий основную часть вещества Вселенной, распределен по ней столь же равномерно, как и реликтовые кванты . Открытие реликтового излучения дает возможность заглянуть не только в сверхдалекое прошлое - за такие пределы времени, когда не было ни нашей Земли, ни нашего Солнца, ни нашей Галактики, ни даже самой Вселенной. Как удивительный телескоп, который можно направить в любую сторону, открытие реликтового излучения позволяет заглянуть и в сверхдалекое будущее. Такое сверхдалекое, когда уже не будет ни Земли, ни Солнца, ни Галактики. Здесь поможет явление расширения Вселенной, то как разлетаются в пространстве слагающие ее звезды, Галактики, облака пыли и газа. Вечен ли этот процесс? Или же разлет замедлится, остановится, а затем сменится сжатием? И не являются ли сменяющие друг друга сжатия и расширения Вселенной своеобразными пульсациями материи, не уничтожимой и вечной? Ответ на эти вопросы зависит в первую очередь от того, сколько материи содержится во Вселенной. Если ее общего тяготения достаточно, чтобы преодолеть инерцию разлета, то расширение неизбежно сменится сжатием, при котором Галактики постепенно сблизятся. Ну а если сил гравитации для торможения и преодоления инерции разлета недостаточно, наша Вселенная обречена: она рассеется в пространстве! Грядущая судьба всей нашей Вселенной! Существует ли проблема более грандиозная? Изучение реликтового излучения дало науке возможность ее поставить. И не исключено, что дальнейшие исследования позволят ее решить.

космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см 3 .

Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновым фоновым излучением» cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С.Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Иногда в научной и популярной литературе можно также встретить термин «трехградусное космическое излучение». Далее мы будем называть это излучение «реликтовым».

Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной . М., 1975
Космология: теория и наблюдения . М., 1978
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной . М., 1981
Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной . М., 1982
Сюняев Р.А. Микроволновое фоновое излучение . – В кн.: Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М., 1986
Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной . М., 1988
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной . М., 1990

Найти "РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ " на

Первые теоретические оценки ожидаемой температуры реликтового излучения содержатся еще в работах Гамова и Алфера, выполненных в 50-х годах. Они указывали цифру около 5 К. Можно ли это излучение наблюдать на фоне электромагнитного излучения звезд и радиогалактик? В работе советского астрофизика А. Г. Дорошкевича и автора в 1964 г. было впервые конкретно рассчитано, насколько интенсивность реликтового излучения (если оно, конечно, есть) должна превышать в сантиметровой области спектра интенсивность излучения радиогалактик и других источников. Стала ясна возможность постановки решающего эксперимента по поискам реликтового излучения, от которого зависел выбор между горячей и холодной моделями Вселенной. Но эта теоретическая работа осталась незамеченной наблюдателями.

Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. сотрудниками американской компании "Bell" Пензиасом и Вилсоном при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдения спутника "Эхо". Они обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса, не зависящий от направления антенны. Дикке, Пиблс, Ролл и Вилкинсон сразу же дали космологическое объяснение измерениям Пензиаса и Вилсона, как доказательства горячей модели Вселенной. В это время Дикке и его сотрудники сами готовили аппаратуру для поисков радиофона от реликтового излучения на длине волны 3 см . Первые наблюдения Пензиаса и Вилсона были проведены на волне 7,35 см . Они показали, что температура излучения составляет около 3° абсолютной шкалы Кельвина. В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн от десятков сантиметров до долей миллиметра.

Наблюдения показали, что спектр излучения равновесный, как это и предсказывалось теорией горячей Вселенной. Он соответствует формуле Планка для равновесного излучения с температурой 2,7 К. На рис. 21 приведен весь спектр электромагнитного излучения в космосе от метровых радиоволн до ультрафиолетового излучения * .

* (Разумеется, это спектр излучения, который существует в среднем во Вселенной вдали от звезд и других источников. )

На метровых волнах излучают так называемые радиогалактики, о которых говорилось в § 3 гл. 1. В них есть мощные магнитные поля и энергичные электроны. Движение электронов в магнитных полях и вызывает радиоизлучение. В области видимого света излучают звезды, в инфракрасной области, вероятно, светит главным образом пыль, нагретая светом звезд. Возможны также другие источники инфракрасного излучения. Между этими двумя областями, радиоволнами и видимым светом (и инфракрасными источниками), находится область спектра, где господствует реликтовое излучение.

Интересно отметить, что первое проявление реликтового излучения астрономы обнаружили еще в 1941 г. Именно тогда астрофизик Мак-Келлар отметил, что радикалы циана наблюдаются в межзвездном газе в возбужденном вращательном состоянии, соответствующем температуре возбуждения около 2,3 К. Что возбуждает молекулы, тогда оставалось неясным. После открытия реликтового излучения И. С. Шкловский и независимо Филд, Вульф, Тадеуш и другие ученые объяснили это возбуждением молекул реликтовым излучением. Наблюдение соответствующих молекулярных линий в спектре CN помогло вычислить температуру реликтового излучения на волне λ ≈ 0,26 см .

Если измерять на одной и той же длине волны интенсивность реликтового излучения, приходящего к нам с разных направлений, то в пределах точности измерений она оказывается одинаковой. Точность измерения составляет десятые доли процента. Это обстоятельство является важным доказательством того, что расширение Вселенной происходит изотропно не только сейчас, но и в далеком прошлом, когда плотность вещества была в тысячи раз больше, чем современная. Ведь Вселенная сейчас практически прозрачна для реликтового излучения, и оно приходит к нам с огромных расстояний. Подробнее мы об этом скажем в § 8 гл. 3. Только для самых ранних стадий расширения остается возможность для Вселенной не подчиняться теории Фридмана!

Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.

Если подсчитать общее количество плотности энергии, которое сегодня содержится в реликтовом излучении, то его окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов:

Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10 -30 (г / см 3) (см. гл. 1). Это значит, что, если бы мы "размазали" все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего 1 атом (напомним, что масса атома водорода - наиболее распространенного элемента Вселенной,- составляет около 10 -24 г). В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.

Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. В § 2 гл. 3 говорилось, что отношение числа квантов электромагнитных волн к числу тяжелых частиц характеризует энтропию Вселенной. В нашем случае это отношение равно *

* (Заметим, что число фотонов в единице объема известно из измерений хорошо, однако плотность обычного вещества, как мы видели в гл. 1, известна гораздо хуже. Поэтому отношение (6) численно может меняться в зависимости от уточнения плотности вещества, Так, если эта плотность равна ρ крит, то S = 10 8 . )

Таким образом, энтропия Вселенной огромна. Отношение (6), как мы говорили, практически не меняется при эволюции Вселенной.

Открытие реликтового излучения является грандиозным достижением современной науки. Оно позволяет сказать, что на ранних стадиях расширения Вселенная была горячей. Предсказание реликтового излучения было сделано в рамках теории расширяющейся Вселенной, поэтому его открытие еще раз показывает правильность и плодотворность для космологии пути, указанного работами А. А. Фридмана.

В 2006 г. Джону Мазеру и Джорджу Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие ими чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения. Эти результаты были получены на основе измерений, выполненных с помощью спутника COBE, запущенного NASA в 1988 г. Результаты Дж. Мазера и Дж. Смута явились подтверждением происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Крайне малое различие в температуре космического фонового излучения ΔT/T ~ 10 -4 является свидетельством механизма образования галактик и звезд.

Дж. Мазер (р. 1946)

Дж. Смут (р. 1945)

Рис. 52. Чернотельный спектр реликтового излучения.

Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение) было обнаружено в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном. На ранней стадии эволюции Вселенной вещество было в состоянии плазмы. Такая среда непрозрачна для электромагнитного излучения − происходит интенсивное рассеяние фотонов электронами и протонами. Когда Вселенная остыла до 3000 К электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода и среда стала прозрачной для фотонов. В это время возраст Вселенной составлял 300000 лет, поэтому реликтовое излучение дает информацию о состоянии Вселенной в эту эпоху. В это время Вселенная была практически однородной. Неоднородности Вселенной определяются по температурной неоднородности реликтового излучения. Эта неоднородность составляет ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Неоднородности реликтового излучения − свидетели неоднородностей Вселенной: первых звезд, галактик, скоплений галактик. При расширении Вселенной длина волны реликтового излучения увеличилась Δλ/λ = ΔR/R и в настоящее время длина волны реликтового излучения находится в диапазоне радиоволн, температура реликтового излучения T = 2.7 К.

Рис. 53. Анизотропия реликтового излучения. Более темным цветом показаны участки спектра реликтового излучения, имеющие более высокую температуру.

Дж. Мазер: «В начале был Большой взрыв − так мы теперь говорим с большой уверенностью. Спутник СОВЕ, предложенный как проект в 1974 г. в Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и запущенный в 1989 г., предоставил очень сильные свидетельства в пользу этого: космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ, или реликтовое излучение) имеет спектр почти идеального черного тела с температурой
2.725 ±0.001 К, и это излучение изотропно (одинаково во всех направлениях) с относительным среднеквадратичным отклонением не более 10 на миллион на угловых масштабах 7° и более. Это излучение интерпретируется как след чрезвычайно горячей и плотной ранней стадии эволюции Вселенной. В такой горячей и плотной фазе рождение и уничтожение фотонов, а также установление равновесия между ними и со всеми другими формами материи и энергии происходило бы очень быстро по сравнению с характерным масштабом времени расширения Вселенной. Такое состояние немедленно произвело бы чернотельное излучение. Расширяющаяся Вселенная должна сохранять чернотельный характер этого спектра, поэтому измерение любого значительного отклонения от идеального спектра излучения черного тела либо сделало бы несостоятельной всю идею Большого взрыва, либо показало бы, что после быстрого установления равновесия к КМФИ была добавлена какая-то энергия (например, от распада неких первичных частиц). Тот факт, что это излучение изотропно в такой высокой степени является ключевым свидетельством того, что оно происходит от Большого взрыва».

Рис. 54. Роберт Вильсон и Арно Пензиас у антенны, на которой было зарегистрировано реликтовое излучение.

Дж. Смут: «Согласно теории горячей Вселенной, реликтовое излучение является остаточным излучением, сформировавшимся на самых ранних высокотемпературных стадиях эволюции Вселенной во времена близкие к началу расширения современной Вселенной 13,7 млрд. лет назад. Само реликтовое излучение может быть использовано как мощное средство для измерения динамики и геометрии Вселенной. Реликтовое излучение было открыто Пензиасом и Вилсоном в Лаборатории им. Белла в 1964 г.
Они обнаружили постоянное изотропное излучение с термодинамической температурой около 3,2 К. В это же время физики в Принстоне (Дике, Пиблз, Уилкинсон и Ролл) разрабатывали эксперимент по измерению реликтового излучения, предсказываемого теорией горячей Вселенной. Случайное открытие реликтового излучения Пензиасом и Вилсоном открыло новую эру в космологии, положив начало ее превращению из мифа и спекуляций в полноценное научное направление.
Открытие анизотропии температуры космического реликтового излучения произвело переворот в наших представлениях о Вселенной, и его современные исследования продолжают революцию в космологии. Построение углового спектра мощности флуктуаций температуры РИ с плато, акустическими пиками и затухающим высокочастотным концом привело к утверждению стандартной космологической модели, в которой геометрия пространства плоская (соответствует критической плотности), темная энергия и темная материя доминируют и есть лишь немного обычного вещества. Согласно этой успешно подтверждаемой модели, наблюдаемая структура Вселенной сформировалась благодаря гравитационной неустойчивости, которая усилила квантовые флуктуации, порожденные в очень раннюю инфляционную эпоху. Современные и будущие наблюдения проверят эту модель и определят ключевые космологические параметры с выдающейся точностью и значимостью».