Powstało promieniowanie CMB. Co to jest kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła? Interesujące fakty związane z badaniem kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła

Kosmiczne promieniowanie elektromagnetyczne docierające do Ziemi ze wszystkich stron nieba o mniej więcej tym samym natężeniu i posiadające widmo charakterystyczne dla promieniowania ciała doskonale czarnego w temperaturze około 3 K (3 stopnie w absolutnej skali Kelvina, co odpowiada -270°C) . W tej temperaturze główna część promieniowania pochodzi z fal radiowych w zakresie centymetrowym i milimetrowym. Gęstość energii kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła wynosi 0,25 eV/cm 3 .
Eksperymentalni radioastronomowie wolą nazywać to promieniowanie „kosmicznym mikrofalowym tłem” (CMB). Astrofizycy teoretyczni często nazywają to „promieniowaniem reliktowym” (termin ten zaproponował rosyjski astrofizyk I.S. Szkłowski), ponieważ w ramach ogólnie przyjętej dziś teorii gorącego Wszechświata promieniowanie to powstało na wczesnym etapie ekspansji naszego świat, kiedy jego materia była prawie jednorodna i bardzo gorąca. Czasami w literaturze naukowej i popularnej można spotkać się także z określeniem „promieniowanie kosmiczne trzech stopni”. Poniżej będziemy nazywać to promieniowanie „promieniowaniem reliktowym”.
Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła w 1965 roku miało ogromne znaczenie dla kosmologii; stało się jednym z najważniejszych osiągnięć nauk przyrodniczych XX wieku. i oczywiście najważniejsze dla kosmologii po odkryciu przesunięcia ku czerwieni w widmach galaktyk. Słabe promieniowanie reliktowe przynosi nam informacje o pierwszych chwilach istnienia naszego Wszechświata, o tej odległej epoce, kiedy cały Wszechświat był gorący i nie było w nim planet, gwiazd, galaktyk. Szczegółowe pomiary tego promieniowania prowadzone w ostatnich latach za pomocą obserwatoriów naziemnych, stratosferycznych i kosmicznych uchylają kurtynę skrywającą tajemnicę samych narodzin Wszechświata.
Teoria gorącego wszechświata. W 1929 roku amerykański astronom Edwin Hubble (1889-1953) odkrył, że większość galaktyk oddala się od nas, i to tym szybciej, im dalej galaktyka jest położona (prawo Hubble'a). Zinterpretowano to jako ogólną ekspansję Wszechświata, która rozpoczęła się około 15 miliardów lat temu. Pojawiło się pytanie, jak wyglądał Wszechświat w odległej przeszłości, kiedy galaktyki dopiero zaczęły się od siebie oddalać, a nawet wcześniej. Choć aparat matematyczny, oparty na ogólnej teorii względności Einsteina i opisujący dynamikę Wszechświata, został stworzony jeszcze w latach dwudziestych XX wieku przez Willema de Sittera (1872-1934), Alexandra Friedmana (1888-1925) i Georgesa Lemaitre'a (1894-1966) ), o stanie fizycznym nie było wiadomo nic o stanie Wszechświata we wczesnej epoce jego ewolucji. Nie było nawet pewne, czy był taki moment w historii Wszechświata, który można by uznać za „początek ekspansji”.
Rozwój fizyki jądrowej w latach czterdziestych XX wieku pozwolił na opracowanie teoretycznych modeli ewolucji Wszechświata w przeszłości, kiedy uważano, że jego materia jest skompresowana do dużej gęstości, przy której możliwe są reakcje jądrowe. Modele te miały przede wszystkim wyjaśnić skład materii Wszechświata, który już wtedy dość wiarygodnie zmierzono z obserwacji widm gwiazd: średnio składają się one z 2/3 wodoru i 1/3 helu, a wszystkie inne pierwiastki chemiczne łącznie stanowią nie więcej niż 2%. Znajomość właściwości cząstek wewnątrzjądrowych – protonów i neutronów – pozwoliła obliczyć opcje początku ekspansji Wszechświata, różniące się początkową zawartością tych cząstek oraz temperaturą substancji i promieniowaniem będącym w równowadze termodynamicznej z tym. Każda z opcji dawała własny skład pierwotnej substancji Wszechświata.
Jeśli pominiemy szczegóły, to istnieją dwie zasadniczo różne możliwości warunków, w jakich nastąpił początek ekspansji Wszechświata: jego materia mogła być albo zimna, albo gorąca. Konsekwencje reakcji jądrowych zasadniczo się od siebie różnią. Chociaż Lemaitre w swoich wczesnych pracach wyrażał ideę możliwości gorącej przeszłości Wszechświata, historycznie rzecz biorąc, możliwość zimnego początku była pierwszą rozważaną w latach trzydziestych XX wieku.
W pierwszych założeniach uważano, że cała materia we Wszechświecie istniała najpierw w postaci zimnych neutronów. Jak się później okazało, założenie to przeczy obserwacjom. Faktem jest, że neutron w stanie wolnym rozpada się średnio 15 minut po wystąpieniu, zamieniając się w proton, elektron i antyneutrino. W rozszerzającym się Wszechświecie powstałe protony zaczęłyby łączyć się z pozostałymi neutronami, tworząc jądra atomów deuteru. Ponadto łańcuch reakcji jądrowych doprowadziłby do powstania jąder atomów helu. Bardziej złożone jądra atomowe, jak pokazują obliczenia, w tym przypadku praktycznie nie powstają. W rezultacie cała materia zamieniłaby się w hel. Wniosek ten stoi w ostrej sprzeczności z obserwacjami gwiazd i materii międzygwiazdowej. Powszechność pierwiastków chemicznych w przyrodzie odrzuca hipotezę, że ekspansja materii rozpoczyna się w postaci zimnych neutronów.
W 1946 roku w USA urodzony w Rosji fizyk Georgy Gamow (1904-1968) zaproponował „gorącą” wersję początkowych etapów ekspansji Wszechświata. W 1948 roku ukazała się praca jego współpracowników, Ralpha Alphera i Roberta Hermana, w której badano reakcje jądrowe w gorącej materii na początku ekspansji kosmologicznej w celu uzyskania obecnie obserwowanych zależności pomiędzy ilością różnych pierwiastków chemicznych i ich izotopami. W tamtych latach naturalna była chęć wyjaśnienia pochodzenia wszystkich pierwiastków chemicznych poprzez ich syntezę w pierwszych momentach ewolucji materii. Faktem jest, że w tamtym czasie błędnie oszacowano czas, który upłynął od początku ekspansji Wszechświata, na zaledwie 2-4 miliardy lat. Było to spowodowane przeszacowaniem wartości stałej Hubble’a, co wynikało z obserwacji astronomicznych w tamtych latach.
Porównując wiek Wszechświata na 2-4 miliardy lat z szacunkowym wiekiem Ziemi - na około 4 miliardy lat - musieliśmy założyć, że Ziemia, Słońce i gwiazdy powstały z materii pierwotnej o gotowym składzie chemicznym . Uważano, że skład ten nie zmienił się znacząco, ponieważ synteza pierwiastków w gwiazdach jest procesem powolnym i nie było czasu na jej realizację przed powstaniem Ziemi i innych ciał.
Późniejsza rewizja skali odległości pozagalaktycznych doprowadziła również do rewizji wieku Wszechświata. Teoria ewolucji gwiazd z powodzeniem wyjaśnia pochodzenie wszystkich ciężkich pierwiastków (cięższych od helu) poprzez ich nukleosyntezę w gwiazdach. Nie ma już potrzeby wyjaśniania pochodzenia wszystkich pierwiastków, także ciężkich, na wczesnym etapie ekspansji Wszechświata. Jednak istota hipotezy o gorącym Wszechświecie okazała się słuszna.
Z drugiej strony zawartość helu w gwiazdach i gazie międzygwiazdowym wynosi około 30% masowych. To znacznie więcej, niż można wytłumaczyć reakcjami jądrowymi w gwiazdach. Oznacza to, że hel, w przeciwieństwie do pierwiastków ciężkich, powinien być syntetyzowany na początku ekspansji Wszechświata, ale jednocześnie w ograniczonych ilościach.
Główną ideą teorii Gamowa jest właśnie to, że wysoka temperatura substancji zapobiega przekształceniu całej substancji w hel. W chwili 0,1 sekundy po rozpoczęciu ekspansji temperatura wynosiła około 30 miliardów K. Taka gorąca materia zawiera wiele wysokoenergetycznych fotonów. Gęstość i energia fotonów są na tyle duże, że światło oddziałuje ze światłem, co prowadzi do powstania par elektron-pozyton. Anihilacja par może z kolei doprowadzić do powstania fotonów, a także do powstania par neutrin i antyneutrin. W tym „kijącym kotle” znajduje się zwykła substancja. W bardzo wysokich temperaturach złożone jądra atomowe nie mogą istnieć. Zostałyby natychmiast rozbite przez otaczające je cząstki energetyczne. Dlatego ciężkie cząstki materii istnieją w postaci neutronów i protonów. Oddziaływania z cząstkami energetycznymi powodują, że neutrony i protony szybko przekształcają się w siebie. Jednak reakcje łączenia neutronów z protonami nie zachodzą, ponieważ powstałe jądro deuteru jest natychmiast rozbijane przez cząstki o wysokiej energii. Zatem pod wpływem wysokiej temperatury łańcuch prowadzący do powstania helu pęka już na samym początku.
Dopiero gdy rozszerzający się Wszechświat ochładza się do temperatury poniżej miliarda kelwinów, pewna ilość powstałego deuteru jest już zmagazynowana i prowadzi do syntezy helu. Obliczenia pokazują, że temperaturę i gęstość substancji można tak ustawić, aby w tym momencie udział neutronów w substancji wynosił około 15% masowych. Neutrony te, łącząc się z taką samą liczbą protonów, tworzą około 30% helu. Pozostałe ciężkie cząstki pozostały w postaci protonów – jąder atomów wodoru. Reakcje jądrowe kończą się po pierwszych pięciu minutach od rozpoczęcia ekspansji Wszechświata. Następnie, w miarę rozszerzania się Wszechświata, temperatura jego materii i promieniowania maleje. Z prac Gamowa, Alphera i Hermana z 1948 roku wynikało: jeśli teoria gorącego Wszechświata przewiduje pojawienie się 30% helu i 70% wodoru jako głównych pierwiastków chemicznych przyrody, to współczesny Wszechświat musi nieuchronnie zostać wypełniony pozostałość („relikt”) pierwotnego promieniowania gorącego, a współczesna temperatura CMB powinna wynosić około 5 K.
Analiza różnych opcji początku ekspansji kosmologicznej nie zakończyła się jednak na hipotezie Gamowa. Na początku lat 60. XX w. pomysłową próbę powrotu do wersji zimnej podjął Ya.B. Zeldovich, który zasugerował, że pierwotna zimna materia składała się z protonów, elektronów i neutrin. Jak pokazał Zeldovich, taka mieszanina po rozprężeniu zamienia się w czysty wodór. Zgodnie z tą hipotezą hel i inne pierwiastki chemiczne zostały zsyntetyzowane później, gdy powstały gwiazdy. Należy zauważyć, że do tego czasu astronomowie już wiedzieli, że Wszechświat jest kilka razy starszy od Ziemi i większości otaczających nas gwiazd, a dane dotyczące zawartości helu w materii przedgwiazdowej były w tamtych latach nadal bardzo niepewne.
Wydawałoby się, że decydującym testem przy wyborze pomiędzy zimnym i gorącym modelem Wszechświata mogłoby być poszukiwanie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Ale z jakiegoś powodu przez wiele lat po przewidywaniach Gamowa i jego współpracowników nikt świadomie nie próbował wykryć tego promieniowania. Odkryli go zupełnie przypadkowo w 1965 roku radiofizycy z amerykańskiej firmy Bell R. Wilson i A. Penzias, którzy w 1978 roku otrzymali Nagrodę Nobla.
Na drodze do wykrywania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. W połowie lat sześćdziesiątych astrofizycy kontynuowali teoretyczne badania gorącego modelu Wszechświata. Obliczenia oczekiwanych charakterystyk kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła przeprowadzili w 1964 roku A.G. Doroshkevich i I.D. Novikov w ZSRR oraz niezależnie F. Hoyle i R. J. Taylor w Wielkiej Brytanii. Jednak prace te, podobnie jak wcześniejsze prace Gamowa i jego współpracowników, nie przyciągały uwagi. Jednak już w przekonujący sposób pokazali, że można zaobserwować kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Pomimo skrajnej słabości tego promieniowania w naszej epoce, na szczęście leży ono w tym obszarze widma elektromagnetycznego, gdzie wszystkie inne źródła kosmiczne na ogół emitują jeszcze słabsze promieniowanie. Dlatego ukierunkowane poszukiwania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła powinny były doprowadzić do jego odkrycia, ale radioastronomowie o tym nie wiedzieli.
Oto co A. Penzias powiedział w swoim wykładzie noblowskim: „Pierwsze opublikowane uznanie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła jako zjawiska wykrywalnego w zakresie radiowym pojawiło się wiosną 1964 roku w krótkim artykule A.G. Doroszkiewicza i I.D. Nowikowa pt Średnia gęstość promieniowania w metagalaktyce i niektóre zagadnienia kosmologii relatywistycznej. Choć angielskie tłumaczenie ukazało się w tym samym roku, lecz nieco później, w powszechnie znanym czasopiśmie „Soviet Physics – Reports”, artykuł najwyraźniej nie wzbudził zainteresowania innych specjalistów w tej dziedzinie. Ta niezwykła praca nie tylko wyprowadza widmo KMPT jako zjawiska fali ciała doskonale czarnego, ale także wyraźnie skupia się na dwudziestostopowym reflektorze tubowym w Bell Laboratory w Crawford Hill jako najodpowiedniejszym instrumencie do jego wykrywania!” (cytat za: Sharov A.S., Novikov I.D. Człowiek, który odkrył eksplozję wszechświata: życie i twórczość Edwina Hubble'a M., 1989).
Niestety artykuł ten przeszedł niezauważony zarówno przez teoretyków, jak i obserwatorów; nie pobudziło to poszukiwań kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Historycy nauki wciąż zastanawiają się, dlaczego przez wiele lat nikt nie próbował świadomie szukać promieniowania z gorącego Wszechświata. Ciekawe, że obok tego odkrycia – jednego z największych w XX wieku. - Naukowcy przechodzili obok niego kilka razy, nie zauważając go.
Na przykład kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła mogło zostać odkryte już w 1941 roku. Następnie kanadyjski astronom E. McKellar przeanalizował linie absorpcyjne powodowane przez międzygwiazdowe cząsteczki cyjanu w widmie gwiazdy Zeta Ophiuchi. Doszedł do wniosku, że te linie w widzialnym obszarze widma mogą powstać dopiero wtedy, gdy światło zostanie zaabsorbowane przez wirujące cząsteczki cyjanu, a ich obrót powinien zostać wzbudzony promieniowaniem o temperaturze około 2,3 K. Oczywiście nikt nie mógł tego zrobić myślano wówczas, że wzbudzenie poziomów rotacyjnych tych cząsteczek spowodowane jest kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła. Dopiero po jego odkryciu w 1965 roku opublikowano prace I.S. Szkłowskiego, J. Fielda i innych, w których wykazano, że wzbudzenie rotacji międzygwiazdowych cząsteczek cyjanu, których linie są wyraźnie widoczne w widmach wielu gwiazd, jest spowodowane właśnie promieniowaniem reliktowym.
Jeszcze bardziej dramatyczna historia wydarzyła się w połowie lat pięćdziesiątych. Następnie młody naukowiec T.A. Szmaonow pod kierunkiem znanych radzieckich radioastronomów S.E. Khaikina i N.L. Kaidanowskiego przeprowadził pomiary emisji radiowej z kosmosu na fali o długości 32 cm. Pomiary te wykonano przy użyciu podobnej do poprzedniej anteny tubowej używany wiele lat później przez Penziasa i Wilsona. Szmaonow dokładnie przestudiował możliwe zakłócenia. Oczywiście w tamtym czasie nie miał jeszcze do dyspozycji tak czułych odbiorników, jakie nabyli później Amerykanie. Wyniki pomiarów Szmaonowa zostały opublikowane w 1957 roku w jego pracy kandydata oraz w czasopiśmie „Instrumenty i techniki eksperymentalne”. Wniosek z tych pomiarów był następujący: „Okazało się, że wartość bezwzględna efektywnej temperatury emisji radiowej tła... wynosi 4 ± 3 K.” Szmaonow zauważył niezależność natężenia promieniowania od kierunku na niebie i od czasu. Chociaż błędy pomiaru były duże i nie ma co mówić o jakiejkolwiek wiarygodności liczby 4, teraz jest dla nas jasne, że Szmaonow dokładnie zmierzył kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Niestety ani on sam, ani inni radioastronomowie nie wiedzieli nic o możliwości istnienia kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła i nie przywiązywali należytej wagi do tych pomiarów.
Wreszcie około 1964 roku słynny fizyk eksperymentalny z Princeton (USA), Robert Dicke, świadomie podszedł do tego problemu. Choć jego rozumowanie opierało się na teorii „oscylującego” Wszechświata, który wielokrotnie ulega rozszerzaniu i kurczeniu, Dicke wyraźnie rozumiał potrzebę poszukiwania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Z jego inicjatywy na początku 1965 roku młody teoretyk F. J. E. Peebles przeprowadził niezbędne obliczenia, a P. G. Roll i D. T. Wilkinson rozpoczęli budowę małej niskoszumowej anteny na dachu Palmer Physical Laboratory w Princeton. Do poszukiwania promieniowania tła nie jest konieczne używanie dużych radioteleskopów, ponieważ promieniowanie dociera ze wszystkich kierunków. Nic nie zyskasz, jeśli duża antena skupi wiązkę na mniejszym obszarze nieba. Jednak grupa Dicke'a nie zdążyła dokonać zaplanowanego odkrycia: gdy sprzęt był już gotowy, wystarczyło potwierdzić odkrycie, którego inni przypadkowo dokonali dzień wcześniej.

Pomimo stosowania nowoczesnych instrumentów i najnowocześniejszych metod badania Wszechświata, kwestia jego wyglądu wciąż pozostaje otwarta. Nie jest to zaskakujące, biorąc pod uwagę jego wiek: według najnowszych danych waha się od 14 do 15 miliardów lat. Jest oczywiste, że od tego czasu pozostało bardzo niewiele dowodów na wspaniałe procesy na skalę Uniwersalną, które kiedyś miały miejsce. Dlatego nikt nie odważy się niczego twierdzić, ograniczając się do hipotez. Jednak jedno z nich otrzymało ostatnio bardzo istotny argument – ​​kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła.

W 1964 roku dwóch pracowników znanego laboratorium, prowadzących obserwacje radiowe satelity Echo, mając dostęp do odpowiedniego ultraczułego sprzętu, postanowiło przetestować część swoich teorii dotyczących własnej emisji radiowej niektórych obiektów kosmicznych.

Aby odfiltrować ewentualne zakłócenia ze źródeł naziemnych zdecydowano się zastosować 7,35 cm. Jednak po włączeniu i dostrojeniu anteny zarejestrowano dziwne zjawisko: w całym pomieszczeniu zarejestrowano pewien szum, będący stałą składową tła. Wszechświat. Nie zależało to od położenia Ziemi względem innych planet, co od razu eliminowało założenie o zakłóceniach radiowych od nich czy od pory dnia. Ani R. Wilson, ani A. Penzias nawet nie zdawali sobie sprawy, że odkryli kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła Wszechświata.

Ponieważ nikt z nich tego nie zakładał, przypisując „tło” specyfice sprzętu (wystarczy przypomnieć, że zastosowana antena mikrofalowa była wówczas najczulszą), minął prawie cały rok, zanim stało się oczywiste, że zarejestrowany szum była częścią samego Wszechświata. Intensywność wykrytego sygnału radiowego okazała się niemal identyczna z intensywnością promieniowania o temperaturze 3 kelwinów (1 kelwin to -273 stopnie Celsjusza). Dla porównania zero Kelvinów odpowiada temperaturze obiektu złożonego z nieruchomych atomów. waha się od 500 MHz do 500 GHz.

W tym czasie dwóch teoretyków z Uniwersytetu Princeton – R. Dicke i D. Pibbles, opierając się na nowych modelach rozwoju Wszechświata, obliczyło matematycznie, że takie promieniowanie powinno istnieć i przenikać całą przestrzeń. Nie trzeba dodawać, że Penzias, który przypadkowo dowiedział się o wykładach na ten temat, skontaktował się z uniwersytetem i poinformował, że zarejestrowano kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła.

W oparciu o teorię Wielkiego Wybuchu cała materia powstała w wyniku kolosalnej eksplozji. Przez pierwsze 300 tysięcy lat przestrzeń była połączeniem cząstek elementarnych i promieniowania. Następnie, w wyniku ekspansji, temperatura zaczęła spadać, co umożliwiło pojawienie się atomów. Wykryte promieniowanie reliktowe jest echem tamtych odległych czasów. Chociaż Wszechświat miał granice, gęstość cząstek była tak duża, że ​​promieniowanie było „związane”, ponieważ masa cząstek odbijała wszelkiego rodzaju fale, uniemożliwiając ich propagację. I dopiero gdy zaczęło się formowanie atomów, przestrzeń stała się „przezroczysta” dla fal. Uważa się, że w ten sposób pojawiło się kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Obecnie w każdym centymetrze sześciennym przestrzeni znajduje się około 500 kwantów początkowych, chociaż ich energia spadła prawie 100-krotnie.

Promieniowanie CMB w różnych częściach Wszechświata ma różną temperaturę. Wynika to z lokalizacji materii pierwotnej w rozszerzającym się Wszechświecie. Tam, gdzie gęstość atomów przyszłej materii była większa, zmniejszał się udział promieniowania, a co za tym idzie i jego temperatura. To właśnie w tych kierunkach powstały później duże obiekty (galaktyki i ich gromady).

Badanie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła podnosi zasłonę niepewności w stosunku do wielu procesów zachodzących na początku czasu.

Jeden ze składników ogólnego tła przestrzeni. e-mail mag. promieniowanie. R. i. równomiernie rozłożony na sferze niebieskiej i pod względem intensywności odpowiada promieniowaniu cieplnemu ciała całkowicie czarnego o temperaturze ok. 3 K, wykryte przez Amera. naukowcy A. Penzias i ... Encyklopedia fizyczna

Promieniowanie CMB, wypełniające Wszechświat, promieniowanie kosmiczne, którego widmo jest bliskie widmu ciała absolutnie czarnego o temperaturze około 3 K. Obserwowane na falach od kilku mm do kilkudziesięciu cm, niemal izotropowo. Pochodzenie... ... Nowoczesna encyklopedia

Tło promieniowania kosmicznego, którego widmo jest zbliżone do widma całkowicie czarnego ciała o temperaturze ok. 3 K. Obserwowane przy falach od kilku mm do kilkudziesięciu cm, prawie izotropowo. Pochodzenie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła wiąże się z ewolucją... Wielki słownik encyklopedyczny

kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła- Tło kosmicznej emisji radiowej, która powstała we wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata. [GOST 25645.103 84] Tematy, warunki, przestrzeń fizyczna. space PL promieniowanie reliktowe… Przewodnik tłumacza technicznego

Tło promieniowania kosmicznego, którego widmo jest zbliżone do widma ciała całkowicie czarnego o temperaturze około 3°K. Obserwowane przy falach od kilku milimetrów do kilkudziesięciu centymetrów, niemal izotropowo. Pochodzenie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła... ... słownik encyklopedyczny

Promieniowanie elektromagnetyczne wypełniające obserwowalną część Wszechświata (patrz Wszechświat). R. i. istniał już we wczesnych stadiach ekspansji Wszechświata i odegrał ważną rolę w jego ewolucji; jest wyjątkowym źródłem informacji o jej przeszłości... Wielka encyklopedia radziecka

Promieniowanie CMB- (z łac. relicium remnant) kosmiczne promieniowanie elektromagnetyczne związane z ewolucją Wszechświata, który rozpoczął swój rozwój po „Wielkim Wybuchu”; promieniowanie kosmiczne tła, którego widmo jest zbliżone do widma ciała całkowicie czarnego z... ... Początki nowożytnych nauk przyrodniczych

Przestrzeń tła promieniowanie, którego widmo jest zbliżone do widma ciała absolutnie czarnego o temperaturze ok. 3 K. Obserwowane przy falach od kilku. mm do dziesiątek cm, prawie izotropowe. Pochodzenie R. i. związane z ewolucją Wszechświata, do raju w przeszłości... ... Historia naturalna. słownik encyklopedyczny

Termiczne promieniowanie kosmiczne tła, którego widmo jest zbliżone do widma ciała absolutnie czarnego o temperaturze 2,7 K. Pochodzenie promieniowania. związane z ewolucją Wszechświata, który w odległej przeszłości charakteryzował się wysoką temperaturą i gęstością promieniowania... ... Słownik astronomiczny

Kosmologia Wiek Wszechświata Wielki Wybuch Zbieżna odległość CMB Kosmologiczne równanie stanu Ciemna energia Masa ukryta Wszechświat Friedmanna Zasada kosmologiczna Modele kosmologiczne Formacja ... Wikipedia

Książki

• Kosmologia, Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla Monumentalna monografia Stevena Weinberga podsumowuje postęp, jaki dokonał się we współczesnej kosmologii w ciągu ostatnich dwóch dekad. Jest wyjątkowy w… Kategoria: Astronomia Wydawca: Librocom,
• Nowe spojrzenie na niektóre podstawowe pojęcia i fakty eksperymentalne fizyki, Emelyanov A.V. , Książka poświęcona jest analizie trzech powiązanych ze sobą problemów fizyki: 1. Fizyczna natura sił bezwładności, które Newton zaczął rozwiązywać, ale nie rozwiązał. Ten złożony problem prowadzi do wniosku, że... Kategoria: Pytania ogólne. Historia fizyki Seria: Wydawca:

Co oznacza promieniowanie „reliktu reliktowego”?

Kosmiczne promieniowanie tła nazywane jest promieniowaniem kosmicznym tła, którego widmo odpowiada widmu całkowicie czarnego ciała o temperaturze około 3 stopni Kelvina. Promieniowanie to obserwuje się przy długościach fali od kilku milimetrów do dziesiątek centymetrów; jest praktycznie izotropowy. Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła było zdecydowanym potwierdzeniem teorii gorącego Wszechświata, według której w przeszłości Wszechświat miał znacznie większą gęstość materii i bardzo wysoką temperaturę niż obecnie. Zarejestrowane dziś promieniowanie reliktowe to informacja o wydarzeniach z odległej przeszłości, kiedy wiek Wszechświata wynosił zaledwie 300–500 tysięcy lat, a gęstość wynosiła około 1000 atomów na centymetr sześcienny. To właśnie wtedy temperatura pierwotnego Wszechświata spadła do około 3000 stopni Kelvina, cząstki elementarne utworzyły atomy wodoru i helu, a nagły zanik wolnych elektronów doprowadził do powstania promieniowania, które dziś nazywamy kosmicznym mikrofalowym tłem.

Jednym z ciekawych odkryć związanych ze spektrum elektromagnetycznym jest kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Została odkryta przez przypadek, choć przewidywano możliwość jej istnienia.

Historia odkrycia kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła

Historia odkrycia kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła rozpoczęło się w 1964 roku. Pracownicy laboratorium amerykańskiego Telefon dzwonkowy opracował system komunikacji wykorzystujący sztucznego satelitę Ziemi. System ten miał działać na falach o długości 7,5 centymetra. Takie krótkie fale mają pewne zalety w odniesieniu do satelitarnej komunikacji radiowej, ale Arno Penziasa I Roberta Wilsona nikt nie rozwiązał tego problemu. Byli pionierami w tej dziedzinie i musieli zadbać o to, aby na tej samej długości fali nie występowały silne zakłócenia lub aby pracownicy telekomunikacji wiedzieli o takich zakłóceniach z wyprzedzeniem. Uważano wówczas, że źródłem fal radiowych pochodzących z kosmosu mogą być jedynie obiekty punktowe, np galaktyki radiowe Lub gwiazdy. Źródła fal radiowych. Naukowcy mieli do dyspozycji wyjątkowo dokładny odbiornik i obrotową antenę tubową. Za ich pomocą naukowcy mogli osłuchiwać cały firmament w podobny sposób, w jaki lekarz słucha stetoskopem klatki piersiowej pacjenta.

Naturalny sygnał źródłowy

Gdy tylko antena została skierowana na jeden z punktów na niebie, na ekranie oscyloskopu zatańczyła zakrzywiona linia. Typowy naturalny sygnał źródłowy. Eksperci prawdopodobnie byli zaskoczeni swoim szczęściem: już w pierwszym zmierzonym punkcie znajdowało się źródło emisji radiowej! Ale niezależnie od tego, gdzie skierowali antenę, efekt pozostał ten sam. Naukowcy wielokrotnie sprawdzali sprzęt, ale był on w idealnym stanie. I w końcu zdali sobie sprawę, że odkryli nieznane wcześniej zjawisko naturalne: cały Wszechświat zdawał się być wypełniony falami radiowymi o długości centymetra. Gdybyśmy mogli widzieć fale radiowe, firmament wydawałby nam się świecący od krawędzi do krawędzi.
Fale radiowe Wszechświata. Odkrycie Penziasa i Wilsona zostało opublikowane. I nie tylko oni, ale także naukowcy z wielu innych krajów rozpoczęli poszukiwania źródeł tajemniczych fal radiowych, wychwytywanych przez wszystkie przystosowane do tego celu anteny i odbiorniki, niezależnie od tego, gdzie się znajdują i bez względu na to, w który punkt nieba są nakierowane , a intensywność emisji radiowej o długości fali 7,5 centymetra w każdym punkcie była absolutnie taka sama, wydawało się, że jest równomiernie rozłożona na całym niebie.

Promieniowanie CMB obliczone przez naukowców

Radzieccy naukowcy A. G. Doroszkiewicz i I. D. Nowikow, którzy przewidzieli kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła zanim się otworzy, dokonał skomplikowanych obliczeń. Wzięli pod uwagę wszystkie źródła promieniowania dostępne w naszym Wszechświecie, a także wzięli pod uwagę, jak promieniowanie niektórych obiektów zmieniało się w czasie. I okazało się, że w obszarze fal centymetrowych wszystkie te promieniowanie są minimalne i dlatego w żaden sposób nie są odpowiedzialne za wykrytą poświatę nieba. Tymczasem dalsze obliczenia wykazały, że gęstość rozmazanego promieniowania jest bardzo duża. Oto porównanie galaretki fotonowej (tak naukowcy nazywają tajemnicze promieniowanie) z masą całej materii we Wszechświecie. Jeśli cała materia wszystkich widzialnych Galaktyk zostanie „rozłożona” równomiernie w całej przestrzeni Wszechświata, wówczas na trzy metry sześcienne przestrzeni będzie tylko jeden atom wodoru (dla uproszczenia całą materię gwiazd uznamy za wodór ). Jednocześnie każdy centymetr sześcienny rzeczywistej przestrzeni zawiera około 500 fotonów promieniowania. Całkiem sporo, nawet jeśli porównamy nie liczbę jednostek materii i promieniowania, ale bezpośrednio ich masy. Skąd wzięło się tak intensywne promieniowanie? Odkrył to kiedyś radziecki naukowiec A. A. Friedman, rozwiązując słynne równania Einsteina nasz Wszechświat ulega ciągłej ekspansji. Wkrótce znaleziono potwierdzenie tej informacji. Odkrył Amerykanin E. Hubble zjawisko recesji galaktyk. Ekstrapolując to zjawisko w przeszłość, możemy obliczyć moment, w którym cała materia Wszechświata znajdowała się w bardzo małej objętości, a jej gęstość była nieporównywalnie większa niż obecnie. Podczas ekspansji Wszechświata długość fali każdego kwantu wzrasta proporcjonalnie do ekspansji Wszechświata; w tym przypadku kwant wydaje się „ochładzać” - w końcu im krótsza długość fali kwantu, tym jest „gorętsza”. Dzisiejsze promieniowanie w skali centymetrowej ma temperaturę jasności około 3 stopni bezwzględnych Kelvina. A dziesięć miliardów lat temu, kiedy Wszechświat był nieporównywalnie mniejszy, a gęstość jego materii bardzo duża, kwanty te miały temperaturę około 10 miliardów stopni. Od tego czasu nasz Wszechświat został „zasypany” kwantami stale chłodzącego promieniowania. Dlatego centymetrowa emisja radiowa „rozmazana” po całym Wszechświecie nazywana jest kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła. Zwłoki jak wiadomo, to nazwy szczątków najstarszych zwierząt i roślin, które przetrwały do ​​dziś. Kwanty promieniowania centymetrowego są z pewnością najstarszym ze wszystkich możliwych zabytków. Wszak ich powstanie datuje się na epokę odległą od nas o około 15 miliardów lat.

Wiedza o Wszechświecie przyniosła kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła

Prawie nic nie można powiedzieć o tym, jak wyglądała materia w chwili zerowej, kiedy jej gęstość była nieskończenie duża. Ale zjawiska i procesy, które miały miejsce podczas Wszechświat zaledwie sekundę po jej urodzeniu, a nawet wcześniej, do 10–8 sekund, naukowcy już to sobie całkiem nieźle wyobrażają. Informacja na ten temat została przekazana precyzyjnie kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Zatem od chwili zerowej minęła sekunda. Materia naszego Wszechświata miała temperaturę 10 miliardów stopni i składała się z czegoś w rodzaju „owsianki” kwanty reliktowe, elektrody, pozytony, neutrina i antyneutrina . Gęstość „owsianki” była ogromna - ponad tonę na centymetr sześcienny. W takich „zatłoczonych warunkach” nieustannie dochodziło do zderzeń neutronów i pozytonów z elektronami, protony zamieniały się w neutrony i odwrotnie. Ale przede wszystkim były tu kwanty - 100 milionów razy więcej niż neutronów i protonów. Oczywiście przy takiej gęstości i temperaturze nie mogłyby istnieć żadne złożone jądra materii: tutaj nie uległy rozpadowi. Minęło sto sekund. Ekspansja Wszechświata trwała nadal, jego gęstość stale malała, a temperatura spadała. Pozytony prawie zniknęły, neutrony zamieniły się w protony. Rozpoczęło się tworzenie jąder atomowych wodoru i helu. Obliczenia przeprowadzone przez naukowców pokazują, że 30 procent neutronów połączyło się, tworząc jądra helu, natomiast 70 procent z nich pozostało samotnie i stało się jądrami wodoru. W trakcie tych reakcji pojawiały się nowe kwanty, jednak ich liczby nie dało się już porównać z pierwotną, zatem można przypuszczać, że w ogóle się nie zmieniła. Ekspansja Wszechświata trwała. Gęstość „owsianki”, tak stromo parzonej przez naturę na początku, zmniejszała się proporcjonalnie do sześcianu odległości liniowej. Minęły lata, stulecia, tysiąclecia. Minęło 3 miliony lat. Temperatura „owsianki” w tym momencie spadła do 3-4 tysięcy stopni, gęstość materii również zbliżyła się do dzisiejszej, ale nie mogły jeszcze powstać grudki materii, z których mogłyby powstać gwiazdy i galaktyki. Ciśnienie promieniowania było wówczas zbyt duże i wypierało wszelkie tego typu formacje. Nawet atomy helu i wodoru pozostały zjonizowane: elektrony istniały oddzielnie, protony i jądra atomów również istniały oddzielnie. Dopiero pod koniec okresu trzech milionów lat w stygnącej „owsiance” zaczęły pojawiać się pierwsze kondensacje. Na początku było ich bardzo mało. Gdy tylko jedna tysięczna „owsianki” skondensowała się w osobliwe protogwiazdy, formacje te zaczęły „palić się” podobnie jak współczesne gwiazdy. A wyemitowane przez nie fotony i kwanty energii podgrzały „owsiankę”, która zaczęła się schładzać, do temperatur, przy których ponowne tworzenie się nowych kondensatów okazało się niemożliwe. Okresy chłodzenia i ponownego podgrzewania „owsianki” przez rozbłyski protogwiazd występowały naprzemiennie, zastępując się nawzajem. A na pewnym etapie ekspansji Wszechświata powstawanie nowych kondensacji stało się prawie niemożliwe, ponieważ niegdyś tak gęsta „owsianka” stała się zbyt „upłynniona”. Około 5 procent materii udało się zjednoczyć, a 95 procent zostało rozproszone w przestrzeni rozszerzającego się Wszechświata. W ten sposób „rozproszyły się” niegdyś gorące kwanty, które utworzyły promieniowanie reliktowe. W ten sposób rozsypały się jądra atomów wodoru i helu, które wchodziły w skład „owsianki”.

Hipoteza powstania Wszechświata

Oto jeden z nich: większość materii w naszym Wszechświecie nie znajduje się w składzie planet, gwiazd i galaktyk, ale tworzy gaz międzygalaktyczny - 70 procent wodoru i 30 procent helu, jeden atom wodoru na metr sześcienny przestrzeni. Następnie rozwój Wszechświata przeszedł przez etap protogwiazd i wszedł w etap zwykłej dla nas materii, zwykłych rozwijających się galaktyk spiralnych, zwykłych gwiazd, z których najbardziej znana jest nasza. Wokół niektórych z tych gwiazd powstały układy planetarne, a na przynajmniej jednej z tych planet powstało życie, które w toku ewolucji dało początek inteligencji. Naukowcy nie wiedzą jeszcze, jak często w bezmiarze kosmosu znajdują się gwiazdy otoczone kręgiem planet. Nie potrafią nic powiedzieć o tym, jak często.
Okrągły taniec planet. Pytanie, jak często roślina życia rozkwita w bujny kwiat rozumu, pozostaje otwarte. Znane nam dzisiaj hipotezy interpretujące wszystkie te kwestie są raczej bezpodstawnymi domysłami. Ale dziś nauka rozwija się jak lawina. Niedawno naukowcy nie mieli pojęcia, jak zaczęło się nasze. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, odkryte około 70 lat temu, umożliwiło namalowanie takiego obrazu. Ludzkość nie dysponuje dziś wystarczającą ilością faktów, na podstawie których mogłaby odpowiedzieć na sformułowane powyżej pytania. Penetracja w przestrzeń kosmiczną, wizyty na Księżycu i innych planetach przynoszą nowe fakty. A po faktach nie idą już hipotezy, ale ścisłe wnioski.

Promieniowanie CMB wskazuje na jednorodność Wszechświata

Co jeszcze promienie reliktowe, świadkowie narodzin naszego Wszechświata, powiedziały naukowcom? A. A. Friedman rozwiązał jedno z równań podanych przez Einsteina i na podstawie tego rozwiązania odkrył ekspansję Wszechświata. Aby rozwiązać równania Einsteina, konieczne było ustalenie tzw. warunków początkowych. Friedman wyszedł z założenia, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, co oznacza, że ​​substancja w nim zawarta jest równomiernie rozłożona. A w ciągu 5–10 lat, które upłynęły od odkrycia Friedmana, pytanie, czy to założenie było słuszne, pozostało otwarte. Teraz w zasadzie zostało to usunięte. O izotropii Wszechświata świadczy zadziwiająca jednorodność reliktowej emisji radiowej. Drugi fakt wskazuje na to samo - rozkład materii Wszechświata pomiędzy Galaktykami a gazem międzygalaktycznym.
Przecież gaz międzygalaktyczny, który stanowi większość materii Wszechświata, jest w nim rozmieszczony równie równomiernie jak kwanty reliktowe. Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła pozwala spojrzeć nie tylko w bardzo odległą przeszłość - poza granice czasu, kiedy nie było ani naszej Ziemi, ani naszego Słońca, ani naszej Galaktyki, ani nawet samego Wszechświata. Podobnie jak niesamowity teleskop, który można skierować w dowolnym kierunku, odkrycie KMPT pozwala nam zajrzeć w bardzo odległą przyszłość. Tak bardzo odległe, kiedy nie będzie Ziemi, Słońca ani Galaktyki. Pomoże tu zjawisko ekspansji Wszechświata, w jaki sposób tworzące go gwiazdy, galaktyki, chmury pyłu i gazu rozpraszają się w przestrzeni. Czy ten proces jest wieczny? A może ekspansja zwolni, zatrzyma się, a następnie ustąpi miejsca kompresji? I czyż kolejne zagęszczanie i rozszerzanie się Wszechświata nie jest rodzajem pulsacji materii, niezniszczalnej i wiecznej? Odpowiedź na te pytania zależy przede wszystkim od ilości materii zawartej we Wszechświecie. Jeśli całkowita grawitacja będzie wystarczająca do pokonania bezwładności ekspansji, wówczas ekspansja nieuchronnie ustąpi miejsca kompresji, w wyniku której galaktyki będą stopniowo się do siebie zbliżać. Cóż, jeśli siły grawitacyjne nie wystarczą, aby spowolnić i pokonać bezwładność ekspansji, nasz Wszechświat będzie skazany na zagładę: rozproszy się w przestrzeni! Przyszły los całego naszego Wszechświata! Czy jest większy problem? Badanie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła dało nauce możliwość jego ustalenia. I możliwe, że dalsze badania rozwiążą ten problem.