Pojavilo se CMB zračenje. Šta je kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje? Zanimljive činjenice vezane za proučavanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja

Kosmičko elektromagnetno zračenje koje dolazi na Zemlju sa svih strana neba približno istog intenziteta i ima spektar karakterističan za zračenje crnog tijela na temperaturi od oko 3 K (3 stepena na apsolutnoj Kelvinovoj skali, što odgovara -270°C) . Na ovoj temperaturi, glavni udio zračenja dolazi od radio valova u centimetarskom i milimetarskom opsegu. Gustina energije kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja je 0,25 eV/cm 3 .
Eksperimentalni radioastronomi radije nazivaju ovo zračenje "kosmičkom mikrovalnom pozadinom" (CMB). Teorijski astrofizičari ga često nazivaju "reliktno zračenje" (termin je predložio ruski astrofizičar I. S. Šklovski), budući da je, u okviru opšteprihvaćene teorije o vrućem svemiru danas, ovo zračenje nastalo u ranoj fazi širenja našeg svijeta, kada je njegova materija bila gotovo homogena i veoma vruća. Ponekad se u naučnoj i popularnoj literaturi može naći i pojam „kozmičko zračenje od tri stepena“. U nastavku ćemo ovo zračenje nazvati "reliktno zračenje".
Otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja 1965. bilo je od velike važnosti za kosmologiju; postao je jedno od najvažnijih dostignuća prirodne nauke 20. veka. i, naravno, najvažniji za kosmologiju nakon otkrića crvenog pomaka u spektrima galaksija. Slabo reliktno zračenje nam donosi informacije o prvim trenucima postojanja našeg Univerzuma, o toj dalekoj eri kada je cijeli Univerzum bio vruć i u njemu nisu postojale planete, zvijezde, galaksije. Detaljna mjerenja ovog zračenja provedena posljednjih godina korištenjem zemaljskih, stratosferskih i svemirskih opservatorija podižu zavjesu nad misterijom samog rođenja Univerzuma.
Teorija vrućeg univerzuma. Godine 1929. američki astronom Edwin Hubble (1889-1953) otkrio je da se većina galaksija udaljava od nas, i to brže što se galaksija nalazi dalje (Hubbleov zakon). Ovo je protumačeno kao opća ekspanzija Univerzuma, koja je započela prije otprilike 15 milijardi godina. Postavilo se pitanje kako je svemir izgledao u dalekoj prošlosti, kada su galaksije tek počele da se udaljuju jedna od druge, pa čak i ranije. Iako su matematički aparat, zasnovan na Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti i opisujući dinamiku svemira, još 1920-ih stvorili Willem de Sitter (1872-1934), Alexander Friedman (1888-1925) i Georges Lemaitre (1894-1966). ), o fizičkom ništa se nije znalo o stanju Univerzuma u ranoj eri njegove evolucije. Čak nije bilo sigurno ni da postoji određeni trenutak u istoriji svemira koji bi se mogao smatrati “početkom širenja”.
Razvoj nuklearne fizike 1940-ih omogućio je početak razvoja teorijskih modela evolucije svemira u prošlosti, kada je njegova materija trebala biti komprimirana do visoke gustoće pri kojoj su nuklearne reakcije bile moguće. Ovi modeli su, pre svega, trebali da objasne sastav materije Univerzuma, koji je do tada već bio prilično pouzdano izmeren posmatranjem spektra zvezda: u proseku se sastoje od 2/3 vodonika i 1/3 helijuma, a svi ostali hemijski elementi zajedno ne čine više od 2%. Poznavanje svojstava intranuklearnih čestica - protona i neutrona - omogućilo je izračunavanje opcija za početak širenja svemira, koje se razlikuju u početnom sadržaju ovih čestica i temperaturi tvari i zračenju koje je u termodinamičkoj ravnoteži. sa tim. Svaka od opcija dala je svoj sastav originalne supstance Univerzuma.
Ako izostavimo detalje, onda postoje dvije fundamentalno različite mogućnosti za uslove u kojima se dogodio početak širenja Univerzuma: njegova materija može biti ili hladna ili vruća. Posljedice nuklearnih reakcija međusobno se bitno razlikuju. Iako je ideju o mogućnosti vruće prošlosti Univerzuma izrazio Lemaitre u svojim ranim radovima, istorijski je bio prvi koji je razmatrao mogućnost hladnog početka 1930-ih.
U prvim pretpostavkama vjerovalo se da je sva materija u svemiru prvo postojala u obliku hladnih neutrona. Kasnije se pokazalo da je ova pretpostavka u suprotnosti sa zapažanjima. Činjenica je da se neutron u slobodnom stanju raspada u prosjeku 15 minuta nakon pojave, pretvarajući se u proton, elektron i antineutrino. U svemiru koji se širi, rezultirajući protoni bi počeli da se kombinuju sa preostalim neutronima, formirajući jezgra atoma deuterija. Nadalje, lanac nuklearnih reakcija doveo bi do stvaranja jezgri atoma helija. Složenije atomske jezgre, kako pokazuju proračuni, u ovom slučaju praktički ne nastaju. Kao rezultat, sva materija bi se pretvorila u helijum. Ovaj zaključak je u oštroj suprotnosti sa zapažanjima zvijezda i međuzvjezdane materije. Prevalencija hemijskih elemenata u prirodi odbacuje hipotezu da širenje materije počinje u obliku hladnih neutrona.
Godine 1946. u SAD-u, "vruću" verziju početnih faza širenja svemira predložio je ruski fizičar Georgi Gamow (1904-1968). Godine 1948. objavljen je rad njegovih saradnika, Ralpha Alphera i Roberta Hermana, koji je ispitivao nuklearne reakcije u vrućoj materiji na početku kosmološke ekspanzije kako bi se dobili trenutno uočeni odnosi između količina različitih kemijskih elemenata i njihovih izotopa. Tih godina je prirodna bila želja da se nastanak svih hemijskih elemenata objasni njihovom sintezom u prvim trenucima evolucije materije. Činjenica je da su u to vrijeme pogrešno procijenili vrijeme koje je proteklo od početka širenja Univerzuma na samo 2-4 milijarde godina. To je bilo zbog precijenjene vrijednosti Hubble konstante, koja je rezultat astronomskih promatranja tih godina.
Uspoređujući starost Univerzuma od 2-4 milijarde godina sa procjenom starosti Zemlje - oko 4 milijarde godina - morali smo pretpostaviti da su Zemlja, Sunce i zvijezde nastali od primarne materije sa gotovim hemijskim sastavom . Smatralo se da se ovaj sastav nije bitno promijenio, jer je sinteza elemenata u zvijezdama spor proces i nije bilo vremena za njegovu provedbu prije formiranja Zemlje i drugih tijela.
Naknadna revizija skale ekstragalaktičke udaljenosti dovela je i do revizije starosti Univerzuma. Teorija evolucije zvijezda uspješno objašnjava porijeklo svih teških elemenata (težih od helijuma) njihovom nukleosintezom u zvijezdama. Više nema potrebe objašnjavati porijeklo svih elemenata, uključujući i teške, u ranoj fazi širenja Univerzuma. Međutim, ispostavilo se da je suština hipoteze o vrućem svemiru tačna.
S druge strane, sadržaj helijuma u zvijezdama i međuzvjezdanom plinu je oko 30% mase. Ovo je mnogo više nego što se može objasniti nuklearnim reakcijama u zvijezdama. To znači da helijum, za razliku od teških elemenata, treba sintetizirati na početku širenja Univerzuma, ali istovremeno u ograničenim količinama.
Glavna ideja Gamowove teorije je upravo da visoka temperatura neke supstance sprečava transformaciju cele supstance u helijum. U trenutku od 0,1 sekunde nakon početka ekspanzije, temperatura je bila oko 30 milijardi K. Takva vruća materija sadrži mnogo fotona visoke energije. Gustina i energija fotona su toliko visoke da svjetlost stupa u interakciju sa svjetlom, što dovodi do stvaranja parova elektron-pozitron. Anihilacija parova može, zauzvrat, dovesti do proizvodnje fotona, kao i do pojave neutrina i antineutrina parova. U ovom „kotlu koji ključa“ nalazi se obična supstanca. Na vrlo visokim temperaturama, složena atomska jezgra ne mogu postojati. Oni bi bili momentalno razbijeni od okolnih energetskih čestica. Stoga, teške čestice materije postoje u obliku neutrona i protona. Interakcije s energetskim česticama uzrokuju da se neutroni i protoni brzo transformiraju jedni u druge. Međutim, reakcije spajanja neutrona s protonima se ne dešavaju, jer se nastalo jezgro deuterijuma odmah razbija česticama visoke energije. Tako se zbog visoke temperature lanac koji vodi do stvaranja helija prekida na samom početku.
Tek kada se Univerzum, šireći se, ohladi na temperaturu ispod milijardu kelvina, određena količina nastalog deuterija je već pohranjena i dovodi do sinteze helijuma. Proračuni pokazuju da se temperatura i gustoća tvari mogu podesiti tako da do tog trenutka udio neutrona u tvari iznosi oko 15% mase. Ovi neutroni, u kombinaciji sa istim brojem protona, formiraju oko 30% helijuma. Preostale teške čestice ostale su u obliku protona - jezgri atoma vodika. Nuklearne reakcije se završavaju nakon prvih pet minuta nakon početka širenja Univerzuma. Nakon toga, kako se svemir širi, temperatura njegove materije i zračenja opadaju. Iz radova Gamowa, Alphera i Hermana iz 1948. slijedi: ako teorija vrućeg svemira predviđa pojavu 30% helijuma i 70% vodonika kao glavnih hemijskih elemenata prirode, onda moderni Univerzum neizbježno mora biti ispunjen ostatak („relikt“) iskonskog toplog zračenja, i savremena temperatura Ovaj CMB bi trebao biti oko 5 K.
Međutim, analiza različitih opcija za početak kosmološke ekspanzije nije završila Gamowovom hipotezom. Početkom 1960-ih, genijalan pokušaj da se vrati na hladnu verziju napravio je Ya.B. Zeldovich, koji je sugerirao da se originalna hladna materija sastoji od protona, elektrona i neutrina. Kao što je Zeldovich pokazao, takva se mješavina, nakon ekspanzije, pretvara u čisti vodonik. Helijum i drugi hemijski elementi, prema ovoj hipotezi, sintetisani su kasnije kada su se formirale zvezde. Imajte na umu da su u to vrijeme astronomi već znali da je Univerzum nekoliko puta stariji od Zemlje i većine zvijezda oko nas, a podaci o obilju helijuma u predzvjezdanoj materiji još su bili vrlo nesigurni u tim godinama.
Čini se da bi odlučujući test za izbor između hladnog i vrućeg modela Univerzuma mogla biti potraga za kosmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem. Ali iz nekog razloga, dugi niz godina nakon predviđanja Gamowa i njegovih kolega, niko nije svjesno pokušao otkriti ovo zračenje. Sasvim slučajno su ga 1965. godine otkrili radiofizičari američke Bell kompanije R. Wilson i A. Penzias, koji su 1978. dobili Nobelovu nagradu.
Na putu otkrivanja kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Sredinom 1960-ih, astrofizičari su nastavili teorijski proučavati vrući model svemira. Proračun očekivanih karakteristika kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja izvršili su 1964. A.G. Doroshkevich i I.D. Novikov u SSSR-u i nezavisno F. Hoyle i R. J. Taylor u UK. Ali ovi radovi, kao i raniji radovi Gamowa i njegovih kolega, nisu privukli pažnju. Ali oni su već uvjerljivo pokazali da se kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje može primijetiti. Uprkos ekstremnoj slabosti ovog zračenja u našoj eri, ono se, na sreću, nalazi u onom području elektromagnetnog spektra gdje svi drugi kosmički izvori općenito emituju još slabije zračenje. Stoga je ciljana potraga za kosmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem trebala dovesti do njegovog otkrića, ali radio astronomi nisu znali za to.
Ovo je rekao A. Penzias u svom Nobelovom predavanju: „Prvo objavljeno priznanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja kao fenomena koji se može detektovati u radio opsegu pojavilo se u proleće 1964. godine u kratkom članku A.G. Doroškeviča i I.D. Novikova, pod naslovom Prosječna gustina zračenja u Metagalaksiji i neka pitanja relativističke kosmologije. Iako se engleski prijevod pojavio iste godine, nešto kasnije, u nadaleko poznatom časopisu Soviet Physics - Reports, članak očito nije privukao pažnju drugih stručnjaka za ovu oblast. Ovaj izvanredan rad ne samo da zaključuje spektar CMB-a kao fenomena talasa crnog tijela, već se također jasno fokusira na reflektor rog od dvadeset stopa u Bell Laboratory na Crawford Hillu kao najprikladniji instrument za njegovo otkrivanje!” (citirano prema: Sharov A.S., Novikov I.D. Čovjek koji je otkrio eksploziju svemira: Život i djelo Edwina Hubblea M., 1989).
Nažalost, ovaj članak je prošao nezapaženo i od strane teoretičara i posmatrača; nije stimulisala potragu za kosmičkim mikrotalasnim pozadinskim zračenjem. Istoričari nauke se i dalje pitaju zašto dugi niz godina niko nije pokušao svjesno tražiti radijaciju iz vrućeg Univerzuma. Zanimljivo je da je prošlo ovo otkriće - jedno od najvećih u 20. vijeku. - Naučnici su prošli nekoliko puta, a da ga nisu primetili.
Na primjer, kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje moglo je biti otkriveno još 1941. godine. Tada je kanadski astronom E. McKellar analizirao apsorpcione linije uzrokovane međuzvjezdanim molekulima cijanogena u spektru zvijezde Zeta Ophiuchi. Došao je do zaključka da ove linije u vidljivom području spektra mogu nastati samo kada svjetlost apsorbuju rotirajući molekuli cijanogena, a njihovu rotaciju treba pobuđivati ​​zračenje temperature od oko 2,3 K. Naravno, niko nije mogao imati mislili su tada da je pobuda rotacijskih nivoa ovih molekula uzrokovana kosmičkim mikrotalasnim pozadinskim zračenjem. Tek nakon njegovog otkrića 1965. godine objavljeni su radovi I. S. Shklovskyja, J. Fielda i drugih, u kojima je pokazano da ekscitacija rotacije međuzvjezdanih molekula cijanogena, čije se linije jasno uočavaju u spektrima mnogih zvijezda, je uzrokovana upravo reliktnim zračenjem.
Još dramatičnija priča dogodila se sredinom 1950-ih. Tada je mladi naučnik T.A. Šmaonov, pod vodstvom poznatih sovjetskih radioastronoma S.E. Khaikin i N.L. Kaidanovsky, izvršio mjerenja radio-emisije iz svemira na talasnoj dužini od 32 cm. Ova mjerenja su izvršena pomoću rog antene slične onoj koja je bila koju su mnogo godina kasnije koristili Penzias i Wilson. Šmaonov je pažljivo proučavao moguće smetnje. Naravno, tada još nije imao na raspolaganju tako osjetljive prijemnike kakve su Amerikanci kasnije nabavili. Rezultati Šmaonovljevih mjerenja objavljeni su 1957. godine u njegovoj kandidatskoj tezi i u časopisu „Instrumenti i eksperimentalne tehnike“. Zaključak iz ovih mjerenja je bio sljedeći: “Pokazalo se da je apsolutna vrijednost efektivne temperature pozadinske radio emisije... jednaka 4 ± 3 K.” Šmaonov je primetio nezavisnost intenziteta zračenja od pravca na nebu i od vremena. Iako su greške mjerenja bile velike i ne treba govoriti o bilo kakvoj pouzdanosti broja 4, sada nam je jasno da je Šmaonov izmjerio upravo kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje. Nažalost, ni on sam ni drugi radioastronomi nisu znali ništa o mogućnosti postojanja kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja i tim mjerenjima nisu pridavali odgovarajuću važnost.
Konačno, oko 1964. godine, čuveni eksperimentalni fizičar sa Princetona (SAD), Robert Dicke, svjesno je pristupio ovom problemu. Iako je njegovo razmišljanje bilo zasnovano na teoriji o "oscilirajućem" Univerzumu, koji stalno doživljava širenje i kontrakciju, Dicke je jasno shvatio potrebu za potragom za kosmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem. Na njegovu inicijativu, početkom 1965. godine, mladi teoretičar F. J. E. Peebles je izvršio potrebne proračune, a P. G. Roll i D. T. Wilkinson su počeli graditi malu antenu niske razine šuma na krovu Palmer Physical Laboratory u Princetonu. Nije potrebno koristiti velike radio teleskope za traženje pozadinskog zračenja, jer zračenje dolazi iz svih pravaca. Ništa se ne dobija od velike antene koja fokusira snop na manje područje neba. Ali Dickeova grupa nije imala vremena da napravi planirano otkriće: kada je njihova oprema već bila spremna, morali su samo da potvrde otkriće koje su drugi slučajno napravili dan ranije.

Unatoč korištenju modernih instrumenata i najnovijih metoda za proučavanje svemira, pitanje njegovog izgleda i dalje ostaje otvoreno. To nije iznenađujuće s obzirom na njegovu starost: prema najnovijim podacima, kreće se od 14 do 15 milijardi godina. Očigledno je da je od tada bilo vrlo malo dokaza o grandioznim procesima univerzalne skale koji su se nekada odigrali. Stoga se niko ne usuđuje ništa tvrditi, ograničavajući se na hipoteze. Međutim, jedan od njih je nedavno dobio vrlo značajan argument - kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.

Godine 1964. dvojica zaposlenih u poznatoj laboratoriji, vršeći radio-osmatranja satelita Echo, uz pristup odgovarajućoj ultra-osjetljivoj opremi, odlučili su testirati neke od svojih teorija o vlastitoj radio emisiji određenih svemirskih objekata.

Kako bi se filtrirale moguće smetnje od zemaljskih izvora, odlučeno je da se koristi 7,35 cm. Međutim, nakon uključivanja i podešavanja antene, zabilježena je čudna pojava: određeni šum, konstantna pozadinska komponenta, zabilježen je u cijelom Univerzum. To nije zavisilo od položaja Zemlje u odnosu na druge planete, što je odmah eliminisalo pretpostavku o radio smetnjama od ovih ili od doba dana. Ni R. Wilson ni A. Penzias nisu ni shvatili da su otkrili kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje svemira.

Kako to niko od njih nije pretpostavio, pripisujući „pozadinu“ posebnostima opreme (dovoljno je prisjetiti se da je tada korištena mikrovalna antena bila najosjetljivija), prošla je skoro cijela godina dok se nije pokazalo da je snimljena buka bio dio samog Univerzuma. Pokazalo se da je intenzitet detektiranog radio signala gotovo identičan intenzitetu zračenja sa temperaturom od 3 Kelvina (1 Kelvin je jednak -273 stepena Celzijusa). Poređenja radi, nula Kelvina odgovara temperaturi objekta napravljenog od nepokretnih atoma. kreće se od 500 MHz do 500 GHz.

U ovom trenutku, dvojica teoretičara sa Univerziteta Princeton - R. Dicke i D. Pibbles, na osnovu novih modela razvoja Univerzuma, matematički su izračunali da takvo zračenje treba da postoji i da prožima sav prostor. Nepotrebno je reći da je Penzias, koji je slučajno saznao za predavanja na ovu temu, kontaktirao univerzitet i prijavio da je registrovano kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.

Na osnovu teorije Velikog praska, sva materija je nastala kao rezultat kolosalne eksplozije. Prvih 300 hiljada godina nakon toga, svemir je bio kombinacija elementarnih čestica i zračenja. Nakon toga, uslijed širenja, temperature su počele opadati, što je omogućilo pojavu atoma. Detektovano reliktno zračenje je eho tih dalekih vremena. Dok je svemir imao granice, gustina čestica bila je tolika da je zračenje bilo „vezano“, pošto je masa čestica reflektovala bilo koju vrstu talasa, sprečavajući ih da se šire. I tek nakon što je počelo formiranje atoma, prostor je postao "transparentan" za valove. Vjeruje se da se tako pojavilo kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje. Trenutno svaki kubni centimetar prostora sadrži oko 500 početnih kvanta, iako je njihova energija smanjena za skoro 100 puta.

CMB zračenje u različitim dijelovima svemira ima različite temperature. To je zbog lokacije primarne materije u svemiru koji se širi. Tamo gdje je gustina atoma buduće materije bila veća, smanjivao se udio zračenja, a time i njegova temperatura. U tim pravcima su se kasnije formirali veliki objekti (galaksije i njihova jata).

Proučavanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja podiže veo neizvesnosti nad mnogim procesima koji se dešavaju na početku vremena.

Jedna od komponenti opće pozadine prostora. email mag. zračenje. R. and. ravnomjerno raspoređena po nebeskoj sferi i po intenzitetu odgovara toplinskom zračenju apsolutno crnog tijela na temperaturi od cca. 3 K, detektovan od strane Amer. naučnici A. Penzias i ... Fizička enciklopedija

CMB zračenje, koje ispunjava Univerzum, kosmičko zračenje, čiji je spektar blizak spektru apsolutno crnog tijela sa temperaturom od oko 3 K. Posmatrano na talasima od nekoliko mm do desetina cm, gotovo izotropno. Porijeklo ... ... Moderna enciklopedija

Pozadinsko kosmičko zračenje, čiji je spektar blizak spektru potpuno crnog tijela s temperaturom od cca. 3 K. Uočeno na talasima od nekoliko mm do desetina cm, gotovo izotropno. Poreklo kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja povezano je sa evolucijom... Veliki enciklopedijski rječnik

kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje- Pozadinska kosmička radio-emisija, koja je nastala u ranim fazama razvoja Univerzuma. [GOST 25645.103 84] Teme, uslovi, fizički prostor. svemir EN reliktno zračenje… Vodič za tehnički prevodilac

Pozadinsko kosmičko zračenje, čiji je spektar blizak spektru apsolutno crnog tijela s temperaturom od oko 3°K. Uočeno na talasima od nekoliko milimetara do desetina centimetara, gotovo izotropno. Poreklo kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja ... ... enciklopedijski rječnik

Elektromagnetno zračenje koje ispunjava vidljivi dio Univerzuma (vidi Univerzum). R. and. postojao već u ranim fazama širenja Univerzuma i igrao je važnu ulogu u njegovoj evoluciji; je jedinstven izvor informacija o njenoj prošlosti... Velika sovjetska enciklopedija

CMB zračenje- (od latinskog relicium remnant) kosmičko elektromagnetno zračenje povezano s evolucijom Univerzuma, koji je započeo svoj razvoj nakon „velikog praska“; pozadinsko kosmičko zračenje, čiji je spektar blizak spektru apsolutno crnog tijela sa ... ... Počeci moderne prirodne nauke

Pozadinski prostor zračenja, čiji je spektar blizak spektru apsolutno crnog tijela s temperaturom od cca. 3 K. Uočeno na talasima od nekoliko. mm do desetina cm, gotovo izotropno. Porijeklo R. i. povezan sa evolucijom Univerzuma, do raja u prošlosti...... Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik

Toplotno pozadinsko kosmičko zračenje, čiji je spektar blizak spektru apsolutno crnog tijela sa temperaturom od 2,7 K. Poreklo zračenja. povezan sa evolucijom Univerzuma, koji je u dalekoj prošlosti imao visoku temperaturu i gustinu zračenja..... Astronomski rječnik

Kosmologija Doba Univerzuma Veliki prasak Konvergentna udaljenost CMB Kosmološka jednačina stanja Tamna energija Skrivena masa Fridmanov univerzum Kosmološki princip Kosmološki modeli Formacija ... Wikipedia

Knjige

• Kosmologija, Steven Weinberg, nobelovac Monumentalna monografija Stevena Weinberga sažima napredak u modernoj kosmologiji u protekle dvije decenije. Jedinstven je u… Kategorija: Astronomija Izdavač: Librocom,
• Novi pogled na neke fundamentalne koncepte i eksperimentalne činjenice fizike, Emelyanov A.V. , Knjiga je posvećena analizi tri međusobno povezana problema fizike: 1. Fizička priroda inercijalnih sila, koju je Newton počeo rješavati, ali nije riješio. Ovaj složeni problem navodi na zaključak da... Kategorija: Opšta pitanja. Istorija fizike Serija: Izdavač:

Na šta ukazuje "reliktno" zračenje?

Kosmičko pozadinsko zračenje naziva se pozadinsko kosmičko zračenje, čiji spektar odgovara spektru potpuno crnog tijela s temperaturom od oko 3 stepena Kelvina. Ovo zračenje se opaža na talasnim dužinama u rasponu od nekoliko milimetara do desetina centimetara; praktično je izotropan. Otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja bila je odlučujuća potvrda teorije o vrućem svemiru, prema kojoj je u prošlosti Univerzum imao mnogo veću gustinu materije i veoma visoku temperaturu nego sada. Danas zabilježeno reliktno zračenje je podatak o davno prošlim događajima, kada je starost svemira bila samo 300–500 hiljada godina, a gustina oko 1000 atoma po kubnom centimetru. Tada je temperatura primordijalnog Univerzuma pala na oko 3000 stepeni Kelvina, elementarne čestice su formirale atome vodika i helijuma, a iznenadni nestanak slobodnih elektrona doveo je do zračenja koje danas nazivamo kosmičkom mikrotalasnom pozadinom.

Jedno od zanimljivih otkrića vezanih za elektromagnetski spektar je kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje. Otkriven je slučajno, iako se predviđala mogućnost njegovog postojanja.

Istorija otkrića kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja

Istorija otkrića kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja započeta 1964. Američko laboratorijsko osoblje Bell Phone razvio komunikacioni sistem koristeći veštački Zemljin satelit. Ovaj sistem je trebalo da radi na talasima dužine 7,5 centimetara. Ovakvi kratki talasi imaju neke prednosti u odnosu na satelitske radio komunikacije, ali Arno Penzias I Robert Wilson niko nije resio ovaj problem. Oni su bili pioniri u ovoj oblasti i morali su da osiguraju da nema jakih smetnji na istoj talasnoj dužini, ili da telekom radnici znaju za takve smetnje unapred. U to vrijeme se vjerovalo da izvor radio valova koji dolaze iz svemira mogu biti samo tačkasti objekti poput radio galaksije ili zvijezde. Izvori radio talasa. Naučnici su imali na raspolaganju izuzetno precizan prijemnik i rotirajuću rog antenu. Uz njihovu pomoć, naučnici bi mogli da slušaju čitav nebeski svod na isti način kao što doktor sluša pacijentova grudi stetoskopom.

Prirodni izvor signala

I čim je antena bila uperena u jednu od tačaka na nebu, zakrivljena linija je zaplesala na ekranu osciloskopa. Tipično prirodni izvor signala. Stručnjaci su vjerovatno bili iznenađeni srećom: već na prvoj izmjerenoj tački postojao je izvor radio-emisije! Ali bez obzira gdje su usmjerili svoju antenu, efekat je ostao isti. Naučnici su provjeravali opremu iznova i iznova, ali je bila u savršenom redu. I konačno su shvatili da su otkrili do tada nepoznati prirodni fenomen: činilo se da je čitav Univerzum ispunjen radio talasima dužine centimetra. Kad bismo mogli vidjeti radio valove, nebeski svod bi nam se činio kako sija od ruba do ruba.
Radio talasi univerzuma. Penziasovo i Vilsonovo otkriće je objavljeno. I ne samo oni, već i naučnici iz mnogih drugih zemalja počeli su da tragaju za izvorima misterioznih radio talasa, koje su uhvatile sve antene i prijemnici prilagođeni za ovu svrhu, bez obzira gde se nalaze i na koju tačku neba usmereni. , a intenzitet radio-emisije na talasnoj dužini 7,5 centimetara u bilo kojoj tački bio je apsolutno isti, činilo se da je ravnomjerno razmazan po cijelom nebu.

CMB zračenje koje su izračunali naučnici

Sovjetski naučnici A. G. Doroshkevich i I. D. Novikov, koji su predvideli kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje prije nego se otvori, napravio složene proračune. Uzeli su u obzir sve izvore zračenja koji su dostupni u našem svemiru, a takođe su uzeli u obzir kako se zračenje određenih objekata mijenjalo tokom vremena. I pokazalo se da su u području centimetarskih talasa sva ta zračenja minimalna i stoga ni na koji način nisu odgovorna za detektovani sjaj neba. U međuvremenu, dalji proračuni su pokazali da je gustina razmazanog zračenja veoma velika. Evo poređenja fotonskog želea (tako su naučnici nazvali misteriozno zračenje) sa masom sve materije u Univerzumu. Ako se sva materija svih vidljivih galaksija „ravnomjerno raširi“ po čitavom prostoru Univerzuma, tada će postojati samo jedan atom vodonika na tri kubna metra prostora (radi jednostavnosti, svu materiju zvijezda ćemo smatrati vodonikom ). A u isto vrijeme, svaki kubni centimetar stvarnog prostora sadrži oko 500 fotona zračenja. Poprilično, čak i ako uporedimo ne broj jedinica materije i zračenja, već direktno njihove mase. Odakle tako intenzivna radijacija? Svojevremeno je sovjetski naučnik A. A. Friedman, rješavajući poznate Ajnštajnove jednačine, otkrio da naš univerzum je u stalnoj ekspanziji. Ubrzo je pronađena i potvrda za to. Amerikanac E. Hubble otkrio fenomen recesije galaksije. Ekstrapolacijom ovog fenomena u prošlost možemo izračunati trenutak kada je sva materija Univerzuma bila u vrlo maloj zapremini i njena gustina bila neuporedivo veća nego sada. Tokom širenja Univerzuma, talasna dužina svakog kvanta se povećava proporcionalno širenju Univerzuma; u ovom slučaju, čini se da se kvant „hladi“ – na kraju krajeva, što je kraća talasna dužina kvanta, to je „vrući“. Današnje zračenje u centimetarskoj skali ima temperaturu sjaja od oko 3 stepena apsolutnih Kelvina. A prije deset milijardi godina, kada je Univerzum bio neuporedivo manji, a gustina njegove materije bila veoma velika, ti kvanti su imali temperaturu od oko 10 milijardi stepeni. Od tada je naš Univerzum „zatrpan“ kvantima zračenja koje se neprekidno hladi. Zbog toga se centimetarska radio-emisija „razmazana“ po Univerzumu naziva kosmičkom mikrotalasnom pozadinskom radijacijom. Relikvije, kao što znate, nazivi su ostataka najstarijih životinja i biljaka koji su preživjeli do danas. Kvanti centimetarskog zračenja zasigurno su najstariji od svih mogućih relikvija. Na kraju krajeva, njihovo formiranje datira iz doba približno 15 milijardi godina udaljenog od nas.

Znanje o Univerzumu donelo je kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje

Gotovo se ništa ne može reći o tome kakva je materija bila u nultom trenutku, kada je njena gustina bila beskonačno velika. Ali pojave i procesi koji su se desili tokom Univerzum, samo sekundu nakon njenog rođenja, pa čak i ranije, do 10~8 sekundi, naučnici već prilično dobro zamišljaju. Informacija o tome je donijeta precizno kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje. Dakle, prošla je sekunda od nultog trenutka. Materija našeg Univerzuma imala je temperaturu od 10 milijardi stepeni i sastojala se od vrste "kaše" reliktni kvanti, elektrode, pozitroni, neutrini i antineutrini . Gustina "kaše" bila je ogromna - više od tone po kubnom centimetru. U takvim „uslovima gužve“ neprestano su se dešavali sudari neutrona i pozitrona sa elektronima, protoni su se pretvarali u neutrone i obrnuto. Ali najviše je ovdje bilo kvanta - 100 miliona puta više od neutrona i protona. Naravno, pri takvoj gustini i temperaturi, nikakva složena jezgra materije ne bi mogla postojati: ona se ovdje nisu raspala. Prošlo je stotinu sekundi. Širenje Univerzuma se nastavilo, njegova gustina se kontinuirano smanjivala, a temperatura opadala. Pozitroni su skoro nestali, neutroni su se pretvorili u protone. Počelo je formiranje atomskih jezgara vodika i helijuma. Proračuni koje su izvršili naučnici pokazuju da se 30 posto neutrona spojilo u jezgra helijuma, dok je 70 posto njih ostalo samo i postalo jezgra vodonika. U toku ovih reakcija pojavili su se novi kvanti, ali njihov broj se više nije mogao porediti sa prvobitnim, pa možemo pretpostaviti da se uopšte nije promenio. Širenje Univerzuma se nastavilo. Gustoća “kaše”, tako strmo spremljene po prirodi na početku, smanjivala se proporcionalno kocki linearne udaljenosti. Prolazile su godine, vekovi, milenijumi. Prošlo je 3 miliona godina. Temperatura "kaše" do ovog trenutka je pala na 3-4 hiljade stepeni, gustina materije se takođe približila onome što danas poznajemo, ali nakupine materije od kojih bi se mogle formirati zvezde i galaksije još nisu mogle nastati. Pritisak radijacije je u to vrijeme bio prevelik, odgurujući svaku takvu formaciju. Čak su i atomi helijuma i vodonika ostali jonizovani: elektroni su postojali odvojeno, protoni i jezgra atoma takođe su postojali odvojeno. Tek pred kraj perioda od tri miliona godina počele su da se pojavljuju prve kondenzacije u rashladnoj „kaši“. U početku ih je bilo vrlo malo. Čim se hiljaditi dio "kaše" kondenzirao u neobične protozvijezde, ove formacije su počele "gorjeti" slično modernim zvijezdama. A fotoni i kvanti energije koje su emitovali zagrijali su "kašu" koja se počela hladiti do temperatura na kojima se ponovno pokazalo da je stvaranje novih kondenzacija nemoguće. Smjenjivali su se periodi hlađenja i ponovnog zagrijavanja "kaše" bakljima protozvijezda, zamjenjujući jedni druge. A u nekoj fazi širenja Univerzuma, formiranje novih kondenzacija postalo je gotovo nemoguće jer je nekada tako gusta "kaša" postala previše "ukapljena". Otprilike 5 posto materije je uspjelo da se ujedini, a 95 posto je rasuto u prostoru svemira koji se širi. Tako su se nekada vrući kvanti koji su formirali reliktno zračenje "raspršili". Tako su se raspršila jezgra atoma vodonika i helijuma, koja su bila dio "kaše".

Hipoteza o formiranju Univerzuma

Evo jednog od njih: većina materije u našem Univerzumu nije smještena u sastavu planeta, zvijezda i galaksija, već formira međugalaktički plin - 70 posto vodonika i 30 posto helijuma, jedan atom vodonika po kubnom metru prostora. Tada je razvoj Univerzuma prošao fazu protozvezda i ušao u fazu materije koja je za nas obična, obične spiralne galaksije koje se razvijaju, obične zvezde od kojih je najpoznatija naša. Planetarni sistemi su se formirali oko nekih od ovih zvijezda, a na barem jednoj od ovih planeta je nastao život, koji je tokom evolucije doveo do inteligencije. Naučnici još ne znaju koliko se često zvijezde okružene krugom planeta nalaze u prostranstvu svemira. Ne mogu reći ništa o tome koliko često.
Okrugli ples planeta. A pitanje koliko često biljka života procvjeta u bujni cvijet razuma ostaje otvoreno. Nama danas poznate hipoteze koje tumače sva ova pitanja više su kao neosnovana nagađanja. Ali danas se nauka razvija poput lavine. U skorije vreme, naučnici nisu imali pojma kako je počelo naše. Kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, otkriveno prije oko 70 godina, omogućilo je da se naslika ta slika. Danas čovječanstvo nema dovoljno činjenica na osnovu kojih može odgovoriti na gore formulirana pitanja. Prodor u svemir, posjete Mjesecu i drugim planetama donose nove činjenice. A činjenice više ne prate hipoteze, već strogi zaključci.

CMB zračenje ukazuje na homogenost Univerzuma

Šta su još reliktni zraci, ovi svjedoci rođenja našeg Univerzuma, rekli naučnicima? A. A. Friedman je riješio jednu od jednačina koje je dao Ajnštajn, i na osnovu ovog rješenja otkrio širenje Univerzuma. Da bi se riješile Ajnštajnove jednačine, bilo je potrebno postaviti tzv. početne uslove. Friedman je pošao od pretpostavke da Univerzum je homogen i izotropna, što znači da je supstanca u njoj ravnomjerno raspoređena. I tokom 5-10 godina koliko je prošlo od Fridmanovog otkrića, ostalo je otvoreno pitanje da li je ova pretpostavka tačna. Sada je u suštini uklonjen. O izotropiji Univerzuma svjedoči zadivljujuća uniformnost reliktne radio emisije. Druga činjenica ukazuje na istu stvar - distribuciju materije Univerzuma između galaksija i međugalaktičkog gasa.
Na kraju krajeva, međugalaktički plin, koji čini najveći dio materije Univerzuma, raspoređen je po njemu jednako jednako kao reliktni kvanti. Otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja omogućava sagledavanje ne samo ultradaleke prošlosti - izvan granica vremena kada nije bilo ni naše Zemlje, ni našeg Sunca, ni naše Galaksije, pa čak ni samog Univerzuma. Poput nevjerovatnog teleskopa koji se može usmjeriti u bilo kojem smjeru, otkriće CMB-a nam omogućava da zavirimo u ultra-daleku budućnost. Tako super-daleko, kada neće biti Zemlje, Sunca, Galaksije. Tu će pomoći fenomen širenja Univerzuma, kako se njegove sastavne zvijezde, galaksije, oblaci prašine i plina raspršuju u svemiru. Da li je ovaj proces vječan? Ili će se ekspanzija usporiti, zaustaviti, a zatim ustupiti mjesto kompresiji? I nisu li uzastopne kompresije i širenja Univerzuma neka vrsta pulsiranja materije, neuništive i vječne? Odgovor na ova pitanja prvenstveno zavisi od toga koliko je materije sadržano u Univerzumu. Ako je njegova ukupna gravitacija dovoljna da savlada inerciju širenja, tada će širenje neizbježno ustupiti mjesto kompresiji, u kojoj će se Galaksije postepeno približavati. Pa, ako gravitacijske sile nisu dovoljne da uspore i savladaju inerciju širenja, naš svemir je osuđen na propast: raspršit će se u svemiru! Buduća sudbina cijelog našeg Univerzuma! Ima li većeg problema? Proučavanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja dalo je nauci priliku da to postavi. I moguće je da će daljnja istraživanja to riješiti.