Реклама
Реклама
Реклама

реліктове випромінювання

  1. природа випромінювання
  2. Історія дослідження
  3. передбачення
  4. Передісторія
  5. відкриття
  6. дослідження неоднорідностей
  7. властивості
  8. дипольна анізотропія
  9. Ставлення до Великого Вибуху
  10. вторинна анізотропія
  11. слабкі мультиполя

Реліктове випромінювання (або космічне мікрохвильове фонове випромінювання від англ. cosmic microwave background radiation) [1] - космічне електромагнітне випромінювання з високим ступенем изотропности і з спектром , Характерним для абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 До .

Існування реліктового випромінювання було передбачене теоретично в рамках теорії великого вибуху . Хоча в даний час багато аспектів первісної теорії Великого вибуху переглянуті, основи, що дозволили передбачити температуру реліктового випромінювання, залишилися незмінні. Вважається, що реліктове випромінювання збереглося з початкових етапів існування Всесвіту і рівномірно її заповнює. Експериментально його існування було підтверджено в 1965 році . Поряд з космологічним червоним зміщенням , Реліктове випромінювання розглядається як одне з головних підтверджень теорії Великого вибуху.

природа випромінювання

Відповідно до теорії Великого Вибуху, рання Всесвіт являла собою гарячу плазму , Що складається з фотонів , електронів і баріонів . завдяки ефекту Комптона фотони постійно взаємодіяли з іншими частинками плазми, відчуваючи з ними пружні зіткнення і обмінюючись енергією. Таким чином, випромінювання знаходилося в стані теплової рівноваги з речовиною, а його спектр відповідав спектру абсолютно чорного тіла .

По мірі розширення Всесвіту космологічне червоне зміщення викликало охолодження плазми, і на певному етапі для електронів стало енергетично краще, з'єднавшись з протонами (ядрами водню ) і альфа-частками (ядрами гелію ), Сформувати атоми . Цей процес називається рекомбинацией . Це сталося при температурі плазми близько 3000 К і зразковому вік Всесвіту 400 000 років [2] . З цього моменту фотони перестали розсіюватися тепер уже нейтральними атомами і змогли вільно переміщатися в просторі, практично не взаємодіючи з речовиною. Видимий сфера, що відповідає даному моменту, називається поверхнею останнього розсіювання. Це - найвіддаленіший об'єкт, який можна спостерігати в електромагнітному спектрі.

В результаті подальшого розширення Всесвіту температура випромінювання знизилася і зараз становить 2,725 К.

Історія дослідження

Перше випадкове виявлення

У 1941 році, вивчаючи поглинання світла зірки ξ Ophiuchi молекулами CN в міжзоряному середовищі, Мак-Келлар зазначив, що спостерігаються лінії поглинання не тільки для основного обертального стану цієї молекули, а й для порушеної, причому співвідношення інтенсивностей ліній відповідає температурі CN ~ 2,3 К. У той час це явище не набуло пояснення [3] .

передбачення

Реліктове випромінювання було передбачене Георгієм Гамовим , Ральфом Альфером і Робертом Германом в 1948 році на основі створеної ними першої теорії гарячого Великого вибуху. Більш того, Альфер і Герман змогли встановити, що температура реліктового випромінювання повинна складати 5 К, а Гамов дав прогноз в 3 К [4] . Хоча деякі оцінки температури простору існували і до цього, вони володіли кількома недоліками. По-перше, це були вимірювання лише ефективної температури простору, що не передбачалося, що спектр випромінювання підкоряється закону Планка . По-друге, вони були залежні від нашого особливої ​​прихильності на краю галактики Чумацький шлях і гадки не мали, що випромінювання изотропно. Більш того, вони б дали зовсім інші результати, якби Земля знаходилася де-небудь в іншому місці Всесвіту.

Передісторія

У 1955 році аспірант-Радіоастрон Тигран Арамович Шмаонов в Пулковської обсерваторії під керівництвом відомих радянських радіоастрономів С. Е. Хайкіна і Н. Л. Кайдановського провів вимірювання радіовипромінювання з космосу на довжині хвилі 32 см і експериментально виявив шумове СВЧ випромінювання [5] . Висновок з цих вимірів був такий: «Виявилося, що абсолютна величина ефективної температури радіовипромінювання фону ... дорівнює 4 ± 3 К». Шмаонов відзначав незалежність інтенсивності випромінювання від напрямку на небі і від часу. Після захисту дисертації він опублікував про це статтю в неастрономіческом журналі «Прилади і техніка експерименту» [6] .

відкриття

Результати Гамова широко не обговорювалися. Однак вони були знову отримані Робертом Дікке і Яковом Зельдовичем на початку 60-х років. У 1964 році це підштовхнуло Девіда Тодда Вілкінсона і Пітера Ролла, колег Дікке по Прінстонському університету , До створення радіометра Дікке для вимірювання реліктового випромінювання.

У 1965 році Арно Пензіас і Роберт Вудроу Вільсон з Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью Джерсі ) Побудували прилад, аналогічний радіометр Дікке, який вони мали намір використовувати не для пошуку реліктового випромінювання, а для експериментів в області радіоастрономії і супутникових комунікацій. При калібрування установки з'ясувалося, що антена має надлишкову шумову температуру в 3,5 К, яку вони не могли пояснити. Отримавши дзвінок з Холмдейла, Дікке дотепно зауважив: «Хлопці, наш куш зірвали!» ( «Boys, we've been scooped!»). Після спільного обговорення групи з Прінстона і Холмдейла зробили висновок, що така температура антени була викликана реліктовим випромінюванням. У 1978 році Пензиас і Вільсон за своє відкриття отримали Нобелівську премію .

дослідження неоднорідностей

В 1983 році був проведений перший експеримент, РЕЛІКТ-1 , По вимірюванню реліктового випромінювання з борту космічного апарату. В січні 1992 року на підставі аналізу даних експерименту РЕЛІКТ-1 російські вчені оголосили про відкриття анізотропії реліктового випромінювання. Проте, в 2006 році Нобелівська премія з фізики за це була присуджена американцям, які оголосили про подібний відкритті трьома місяцями пізніше на підставі даних експерименту COBE [7] [8] .

Спектрофотометр далекого інфрачервоного випромінювання FIRAS, встановлений на супутнику NASA Cosmic Background Explorer (COBE) , Виконав найбільш точні на сьогоднішній день вимірювання спектра реліктового випромінювання. Вони підтвердили його відповідність спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 К.

Найбільш детальну карту реліктового випромінювання вдалося побудувати в результаті роботи американського космічного апарату WMAP .

14 травня 2009 року було здійснено запуск супутника місії Планк Європейського космічного агентства [9] [10] . Спостереження триватимуть протягом 15 місяців; також можливе продовження польоту на 1 рік. Обробка результатів цього експерименту дозволить перевірити і уточнити дані, отримані WMAP .

властивості

Спектр наповнює Всесвіт реліктового випромінювання відповідає спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 кельвіна . Його максимум припадає на частоту 160,4 ГГц ( мікрохвильове випромінювання ), Що відповідає довжині хвилі 1,9 мм . Воно изотропно з точністю до 0,01% - середньоквадратичне відхилення температури становить приблизно 18 мкК. Це значення не враховує дипольні анізотропію (різниця між найбільш холодної та гарячої областю становить 6,706 мк [11] ), Викликану доплеровским зміщенням частоти випромінювання через нашу власну швидкості щодо системи відліку , Пов'язаної з реліктовим випромінюванням. дипольна анізотропія відповідає руху сонячної системи у напрямку до сузір'я діви зі швидкістю ≈ 370 км / с [12] . червоне зміщення для реліктового випромінювання трохи перевищує 1000 [13] .

дипольна анізотропія

Спостереження показали, що в реліктовому випромінюванні помітно виділена дипольная складова . згідно закону Доплера , Цей факт інтерпретується як рух місцевої групи (Скупчення галактик, що включає Чумацький шлях ) зі швидкістю Спостереження показали, що в реліктовому випромінюванні помітно виділена дипольная складова км / с відносно фонового реліктового випромінювання в напрямку , в галактичних координатах [14] [15] . Однак існують альтернативні теорії, які також можуть пояснити виделенность дипольної компоненти реліктового випромінювання [16] .

Ставлення до Великого Вибуху

первинна анізотропія

поляризація

реліктове випромінювання поляризоване на рівні в кілька мкК . Виділяються E-мода ( градиентная складова) і B-мода ( роторна складова) [17] за аналогією з поляризацією електромагнітного випромінювання . E-мода може з'являтися при проходженні випромінювання через неоднорідну плазму внаслідок томпсоновським розсіювання . B-мода, максимальна амплітуда якої досягає всього лише 0,1 мкК , Не може виникати внаслідок взаємодії з плазмою.

B-мода є ознакою інфляції всесвіту і визначається щільністю первинних гравітаційних хвиль . Спостереження B-моди є складним завданням внаслідок невідомого рівня шуму для цієї компоненти реліктового випромінювання, а також за рахунок того, що B-мода змішується слабким гравітаційним лінзуванням з більш сильною E-модою [18] .

вторинна анізотропія

Спостереження реліктового випромінювання

аналіз

Аналіз реліктового випромінювання з метою отримання його карт, кутового спектра потужності, а в кінцевому підсумку космологічних параметрів, є складною, обчислювально важким завданням. Хоча розрахунок спектра потужності на підставі карти є принципово простим перетворенням Фур'є , Які представляють розкладання фону по сферичним гармоніка , На практиці важко враховувати шумові ефекти .

Для аналізу даних використовуються спеціалізовані пакети:

  • HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelization) - пакет додатків, який використовується командою WMAP .
  • GLESP (Gauss-Legendre Sky Pixelization) - пакет, розроблений в якості альтернативи HEALPix за участю вчених з Росії, Німеччини, Англії та Тайваню.

Кожен пакет використовує свій формат зберігання карти реліктового випромінювання і свої методи обробки.

слабкі мультиполя

Примітки

  1. ↑ Термін реліктове випромінювання, який зазвичай використовується в російськомовній літературі, ввів у вживання радянський астрофізик І. С. Шкловський (Див. Шкловський І. С., Всесвіт, життя, розум. М .: Наука., 1987 )
  2. ↑ Abbott, B. Microwave (WMAP) All-Sky Survey . Hayden Planetarium (2007). Читальний зал з першоджерела 25 серпня 2011 року Перевірено 13 січня 2008.
  3. ↑ Зельдович Я.Б., Новиков І. Д. Будова і еволюція Всесвіту. - М.: Наука, 1975. - С. 156. - 736 с.
  4. ↑ Physics Today , 1950, No. 8, стор. 76
  5. ↑ Онлайн-енциклопедія «Кругосвет»
  6. ↑ Шмаонов Т. А. Методика абсолютних вимірювань ефективної температури радіовипромінювання з низькою еквівалентної температурою // Прилади і техніка експерименту. 1957. №1 С.83-86. 18.
  7. ↑ Втрачені можливості | Аналітика та коментарі | Стрічка новин "РИА Новости"
  8. ↑ don_beaver - «Релікт» і «COBE»: упущена нобелівка
  9. ↑ Офіційний сайт місії Планк ЕКА
  10. ↑ Повідомлення на сайті Astronet.ru
  11. ↑ WMAP
  12. ↑ The CMB dipole. The most recent measurement and some history. 1996
  13. ↑ http://elementy.ru/news/430163 Результати роботи супутника WMAP
  14. ↑ Kogut, A .; et al. (1993). «Dipole Anisotropy in the COBE Differential Microwave Radiometers First-Year Sky Maps». Astrophysical Journal 419: 1-6. DOI : 10.1086 / 173453 . arΧiv : astro-ph / 9312056 .
  15. ↑ APOD: 2009 September 6 - CMBR Dipole: Speeding Through the Universe
  16. ↑ Inoue, KT (2007). «Local Voids as the Origin of Large-Angle Cosmic Microwave Background Anomalies: The Effect of a Cosmological Constant». Astrophysical Journal 664 (2): 650-659. DOI : 10.1086 / 517603 . arΧiv : astro-ph / 0612347 .
  17. ↑ CMB Polarization
  18. ↑ Lewis, A. (2006). «Weak gravitational lensing of the CMB». Physics Reports 429: 1-65. DOI : 10.1016 / j.physrep.2006.03.002 . arΧiv : astro-ph / 0601594 .

посилання