Radiația CMB a apărut. Ce este radiația cosmică de fond cu microunde? Fapte interesante legate de studiul radiației cosmice de fond cu microunde

Radiația electromagnetică cosmică care vine pe Pământ din toate părțile cerului cu aproximativ aceeași intensitate și având un spectru caracteristic radiației corpului negru la o temperatură de aproximativ 3 K (3 grade pe scara Kelvin absolută, care corespunde la -270 ° C) . La această temperatură, ponderea principală a radiațiilor provine de la undele radio în intervalele de centimetri și milimetri. Densitatea de energie a radiației cosmice de fond cu microunde este de 0,25 eV/cm 3 .
Radioastronomii experimentali preferă să numească această radiație „fond cosmic cu microunde” (CMB). Astrofizicienii teoreticieni o numesc adesea „radiație relictă” (termenul a fost propus de astrofizicianul rus I.S. Shklovsky), deoarece, în cadrul teoriei general acceptate a Universului fierbinte de astăzi, această radiație a apărut în stadiul incipient al expansiunii noastre. lume, când materia ei era aproape omogenă și foarte fierbinte. Uneori, în literatura științifică și populară puteți găsi și termenul „radiație cosmică de trei grade”. Mai jos vom numi această radiație „radiație relictă”.
Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde în 1965 a fost de mare importanță pentru cosmologie; a devenit una dintre cele mai importante realizări ale științelor naturale ale secolului al XX-lea. și, desigur, cel mai important pentru cosmologie după descoperirea deplasării spre roșu în spectrele galaxiilor. Radiația slabă relictă ne aduce informații despre primele momente ale existenței Universului nostru, despre acea eră îndepărtată când întreg Universul era fierbinte și nu existau planete, stele, galaxii în el. Măsurătorile detaliate ale acestei radiații efectuate în ultimii ani cu ajutorul observatoarelor terestre, stratosferice și spațiale ridică cortina asupra misterului însăși nașterii Universului.
Teoria Universului fierbinte.În 1929, astronomul american Edwin Hubble (1889-1953) a descoperit că majoritatea galaxiilor se îndepărtează de noi, iar cu cât galaxia este mai departe (legea lui Hubble). Aceasta a fost interpretată ca o expansiune generală a Universului, care a început cu aproximativ 15 miliarde de ani în urmă. A apărut întrebarea despre cum arăta Universul în trecutul îndepărtat, când galaxiile tocmai au început să se îndepărteze unele de altele, și chiar mai devreme. Deși aparatul matematic, bazat pe teoria generală a relativității a lui Einstein și care descrie dinamica Universului, a fost creat în anii 1920 de Willem de Sitter (1872-1934), Alexander Friedman (1888-1925) și Georges Lemaitre (1894-1966). ), despre fizic nu se știa nimic despre starea Universului în epoca timpurie a evoluției sale. Nici măcar nu era sigur că a existat un anumit moment în istoria Universului care ar putea fi considerat „începutul expansiunii”.
Dezvoltarea fizicii nucleare în anii 1940 a permis dezvoltarea unor modele teoretice pentru evoluția Universului în trecut, când se credea că materia acestuia era comprimată la o densitate mare la care erau posibile reacții nucleare. Aceste modele, în primul rând, trebuiau să explice compoziția materiei Universului, care până atunci fusese deja măsurată destul de fiabil din observațiile spectrelor stelelor: în medie, ele constau din 2/3 de hidrogen și 1/3 din heliu și toate celelalte elemente chimice luate împreună nu reprezintă mai mult de 2%. Cunoașterea proprietăților particulelor intranucleare - protoni și neutroni - a făcut posibilă calcularea opțiunilor pentru începutul expansiunii Universului, care diferă în conținutul inițial al acestor particule și temperatura substanței și radiația care se află în echilibru termodinamic. Cu acesta. Fiecare dintre opțiuni a oferit propria sa compoziție a substanței originale a Universului.
Dacă omitem detaliile, atunci există două posibilități fundamental diferite pentru condițiile în care a avut loc începutul expansiunii Universului: materia sa ar putea fi fie rece, fie fierbinte. Consecințele reacțiilor nucleare sunt fundamental diferite unele de altele. Deși ideea posibilității unui trecut fierbinte al Universului a fost exprimată de Lemaitre în lucrările sale timpurii, din punct de vedere istoric a fost primul care a luat în considerare posibilitatea unui început rece în anii 1930.
În primele ipoteze, se credea că toată materia din Univers a existat mai întâi sub formă de neutroni reci. Mai târziu s-a dovedit că această presupunere contrazice observațiile. Faptul este că un neutron în stare liberă se descompune în medie la 15 minute după apariția lui, transformându-se într-un proton, electron și antineutrin. Într-un Univers în expansiune, protonii rezultați ar începe să se combine cu neutronii rămași, formând nucleele atomilor de deuteriu. Mai mult, un lanț de reacții nucleare ar duce la formarea de nuclee de atomi de heliu. Nucleele atomice mai complexe, după cum arată calculele, practic nu apar în acest caz. Ca rezultat, toată materia s-ar transforma în heliu. Această concluzie este în puternică contradicție cu observațiile stelelor și ale materiei interstelare. Prevalența elementelor chimice în natură respinge ipoteza că expansiunea materiei începe sub formă de neutroni reci.
În 1946, în SUA, o versiune „fierbinte” a etapelor inițiale ale expansiunii Universului a fost propusă de fizicianul de origine rusă Georgy Gamow (1904-1968). În 1948, a fost publicată lucrarea colaboratorilor săi, Ralph Alpher și Robert Herman, care a examinat reacțiile nucleare în materia fierbinte la începutul expansiunii cosmologice pentru a obține relațiile observate în prezent între cantitățile diferitelor elemente chimice și izotopii acestora. În acei ani, dorința de a explica originea tuturor elementelor chimice prin sinteza lor în primele momente ale evoluției materiei era firească. Cert este că la acea vreme ei estimau în mod eronat timpul care se scursese de la începutul expansiunii Universului la doar 2-4 miliarde de ani. Acest lucru s-a datorat valorii supraestimate a constantei Hubble, care a rezultat din observațiile astronomice din acei ani.
Comparând vârsta Universului la 2-4 miliarde de ani cu estimarea vârstei Pământului - aproximativ 4 miliarde de ani - a trebuit să presupunem că Pământul, Soarele și stelele s-au format din materie primară cu o compoziție chimică gata făcută. . Se credea că această compoziție nu s-a schimbat în mod semnificativ, deoarece sinteza elementelor în stele este un proces lent și nu a existat timp pentru implementarea sa înainte de formarea Pământului și a altor corpuri.
Revizuirea ulterioară a scalei distanței extragalactice a dus și la o revizuire a vârstei Universului. Teoria evoluției stelare explică cu succes originea tuturor elementelor grele (mai grele decât heliul) prin nucleosinteza lor în stele. Nu mai este nevoie să explicăm originea tuturor elementelor, inclusiv a celor grele, în stadiul incipient al expansiunii Universului. Cu toate acestea, esența ipotezei Universului fierbinte s-a dovedit a fi corectă.
Pe de altă parte, conținutul de heliu al stelelor și al gazului interstelar este de aproximativ 30% din masă. Acest lucru este mult mai mult decât poate fi explicat prin reacțiile nucleare din stele. Aceasta înseamnă că heliul, spre deosebire de elementele grele, ar trebui sintetizat la începutul expansiunii Universului, dar în același timp în cantități limitate.
Ideea principală a teoriei lui Gamow este tocmai că temperatura ridicată a unei substanțe împiedică transformarea întregii substanțe în heliu. În momentul de 0,1 secunde după începerea expansiunii, temperatura era de aproximativ 30 miliarde K. O astfel de materie fierbinte conține mulți fotoni de înaltă energie. Densitatea și energia fotonilor sunt atât de mari încât lumina interacționează cu lumina, ducând la crearea perechilor electron-pozitron. Anihilarea perechilor poate duce, la rândul său, la producerea de fotoni, precum și la apariția perechilor de neutrini și antineutrini. În acest „cazan fierbinte” există o substanță obișnuită. La temperaturi foarte ridicate, nucleele atomice complexe nu pot exista. Ele ar fi zdrobite instantaneu de particulele energetice din jur. Prin urmare, particulele grele de materie există sub formă de neutroni și protoni. Interacțiunile cu particulele energetice fac ca neutronii și protonii să se transforme rapid unul în celălalt. Cu toate acestea, reacțiile de combinare a neutronilor cu protoni nu au loc, deoarece nucleul de deuteriu rezultat este rupt imediat de particule de înaltă energie. Astfel, din cauza temperaturii ridicate, lanțul care duce la formarea heliului se rupe chiar de la început.
Numai atunci când Universul, în expansiune, se răcește la o temperatură sub un miliard de kelvin, o anumită cantitate din deuteriu rezultat este deja stocată și duce la sinteza heliului. Calculele arată că temperatura și densitatea unei substanțe pot fi ajustate astfel încât până în acest moment proporția de neutroni din substanță să fie de aproximativ 15% din masă. Acești neutroni, combinându-se cu același număr de protoni, formează aproximativ 30% din heliu. Particulele grele rămase au rămas sub formă de protoni - nucleele atomilor de hidrogen. Reacțiile nucleare se termină după primele cinci minute după începerea expansiunii Universului. Ulterior, pe măsură ce Universul se extinde, temperatura materiei sale și radiația scade. Din lucrările lui Gamow, Alpher și Herman din 1948 a rezultat: dacă teoria Universului fierbinte prezice apariția a 30% heliu și 70% hidrogen ca principalele elemente chimice ale naturii, atunci Universul modern trebuie inevitabil să fie umplut cu un rămășiță („relicvă”) a radiației calde primordiale și temperatura modernă Acest CMB ar trebui să fie în jur de 5 K.
Cu toate acestea, analiza diferitelor opțiuni pentru începutul expansiunii cosmologice nu s-a încheiat cu ipoteza lui Gamow. La începutul anilor 1960, o încercare ingenioasă de a reveni la versiunea rece a fost făcută de Ya.B. Zeldovich, care a sugerat că materia rece originală consta din protoni, electroni și neutrini. După cum a arătat Zeldovich, un astfel de amestec, la expansiune, se transformă în hidrogen pur. Heliul și alte elemente chimice, conform acestei ipoteze, au fost sintetizate mai târziu, când s-au format stelele. Rețineți că până atunci astronomii știau deja că Universul este de câteva ori mai vechi decât Pământul și majoritatea stelelor din jurul nostru, iar datele despre abundența heliului în materia prestelară erau încă foarte incerte în acei ani.
S-ar părea că testul decisiv pentru alegerea dintre modelele reci și fierbinți ale Universului ar putea fi căutarea radiației cosmice de fond cu microunde. Dar din anumite motive, timp de mulți ani după predicția lui Gamow și a colegilor săi, nimeni nu a încercat în mod conștient să detecteze această radiație. A fost descoperită întâmplător în 1965 de către radiofizicienii companiei americane Bell R. Wilson și A. Penzias, cărora li s-a acordat Premiul Nobel în 1978.
În drum spre detectarea radiației cosmice de fond cu microunde. La mijlocul anilor 1960, astrofizicienii au continuat să studieze teoretic modelul fierbinte al Universului. Calculul caracteristicilor așteptate ale radiației cosmice de fond cu microunde a fost efectuat în 1964 de A.G. Doroshkevich și I.D. Novikov în URSS și independent de F. Hoyle și R. J. Taylor în Marea Britanie. Dar aceste lucrări, ca și lucrările anterioare ale lui Gamow și ale colegilor săi, nu au atras atenția. Dar ei au demonstrat deja în mod convingător că radiația cosmică de fond cu microunde poate fi observată. În ciuda slăbiciunii extreme a acestei radiații în era noastră, ea, din fericire, se află în acea regiune a spectrului electromagnetic în care toate celelalte surse cosmice emit în general radiații și mai slabe. Prin urmare, o căutare țintită a radiației cosmice de fond cu microunde ar fi trebuit să ducă la descoperirea acesteia, dar radioastronomii nu știau despre aceasta.
Iată ce spunea A. Penzias în prelegerea sa Nobel: „Prima recunoaștere publicată a radiației cosmice de fond cu microunde ca fenomen detectabil în domeniul radio a apărut în primăvara anului 1964 într-un scurt articol al lui A.G. Doroshkevich și I.D. Novikov, intitulat Densitatea medie a radiațiilor în Metagalaxie și unele probleme de cosmologie relativistă. Desi o traducere in limba engleza a aparut in acelasi an, ceva mai tarziu, in cunoscuta revista Soviet Physics - Reports, articolul se pare ca nu a atras atentia altor specialisti in domeniu. Această lucrare remarcabilă nu numai că deduce spectrul CMB ca fenomen de undă de corp negru, dar se concentrează, de asemenea, în mod clar pe reflectorul cornului de 20 de picioare de la Laboratorul Bell din Crawford Hill, ca instrumentul cel mai potrivit pentru detectarea acestuia!” (citat din: Sharov A.S., Novikov I.D. Omul care a descoperit explozia universului: viața și opera lui Edwin Hubble M., 1989).
Din păcate, acest articol a trecut neobservat atât de teoreticieni, cât și de observatori; nu a stimulat căutarea radiației cosmice de fond cu microunde. Istoricii științei încă se întreabă de ce timp de mulți ani nimeni nu a încercat să caute în mod conștient radiația din Universul fierbinte. Este curios că trecută această descoperire - una dintre cele mai mari din secolul al XX-lea. - Oamenii de știință au trecut de mai multe ori fără să-l observe.
De exemplu, radiația cosmică de fond cu microunde ar fi putut fi descoperită încă din 1941. Atunci astronomul canadian E. McKellar a analizat liniile de absorbție cauzate de moleculele de cianogen interstelar din spectrul stelei Zeta Ophiuchi. El a ajuns la concluzia că aceste linii din regiunea vizibilă a spectrului pot apărea numai atunci când lumina este absorbită de moleculele de cianogen în rotație, iar rotația lor ar trebui excitată de radiații cu o temperatură de aproximativ 2,3 K. Desigur, nimeni nu ar putea avea crezut atunci că excitarea nivelurilor de rotație ale acestor molecule cauzată de radiația cosmică de fond cu microunde. Abia după descoperirea sa în 1965 au fost publicate lucrările lui I.S. Shklovsky, J. Field și alții, în care s-a arătat că excitația rotației moleculelor de cianogen interstelar, ale căror linii sunt observate în mod clar în spectrele multor stele, este cauzată tocmai de radiațiile relicte.
O poveste și mai dramatică a avut loc la mijlocul anilor 1950. Apoi, tânărul om de știință T.A. Shmaonov, sub îndrumarea celebrilor radioastronomi sovietici S.E. Khaikin și N.L. Kaidanovsky, a efectuat măsurători ale emisiilor radio din spațiu la o lungime de undă de 32 cm. Aceste măsurători au fost făcute folosind o antenă corn similară cu cea care a fost folosit multi ani mai tarziu de Penzias si Wilson. Shmaonov a studiat cu atenție posibilele interferențe. Bineînțeles, la vremea aceea nu avea încă la dispoziție receptoare atât de sensibile pe care le-au achiziționat ulterior americanii. Rezultatele măsurătorilor lui Shmaonov au fost publicate în 1957 în teza candidatului său și în revista „Instrumente și tehnici experimentale”. Concluzia acestor măsurători a fost următoarea: „S-a dovedit că valoarea absolută a temperaturii efective a emisiei radio de fundal... este egală cu 4 ± 3 K.” Shmaonov a remarcat independența intensității radiațiilor față de direcția cerului și față de timp. Deși erorile de măsurare au fost mari și nu este nevoie să vorbim despre vreo fiabilitate a numărului 4, acum ne este clar că Shmaonov a măsurat cu precizie radiația cosmică de fond cu microunde. Din păcate, nici el însuși, nici alți radioastronomi nu știau nimic despre posibilitatea existenței radiațiilor cosmice de fond cu microunde și nu acordau importanța cuvenită acestor măsurători.
În cele din urmă, în jurul anului 1964, celebrul fizician experimental din Princeton (SUA), Robert Dicke, a abordat în mod conștient această problemă. Deși raționamentul său s-a bazat pe teoria unui Univers „oscilant”, care experimentează în mod repetat expansiune și contracție, Dicke a înțeles clar necesitatea căutării radiației cosmice de fond cu microunde. La inițiativa sa, la începutul anului 1965, tânărul teoretician F. J. E. Peebles a efectuat calculele necesare, iar P. G. Roll și D. T. Wilkinson au început să construiască o antenă mică cu zgomot redus pe acoperișul Laboratorului de Fizică Palmer din Princeton. Nu este necesar să folosiți radiotelescoape mari pentru a căuta radiația de fundal, deoarece radiația vine din toate direcțiile. Nu se câștigă nimic din a avea o antenă mare care focalizează fasciculul pe o zonă mai mică a cerului. Dar grupul lui Dicke nu a avut timp să facă descoperirea planificată: când echipamentul lor era deja gata, nu trebuia decât să confirme descoperirea pe care alții au făcut-o accidental cu o zi înainte.

În ciuda utilizării instrumentelor moderne și a celor mai recente metode de studiere a Universului, problema aspectului său rămâne încă deschisă. Acest lucru nu este surprinzător, având în vedere vechimea sa: conform ultimelor date, acesta variază între 14 și 15 miliarde de ani. Este evident că de atunci au existat foarte puține dovezi ale proceselor grandioase ale scării Universale care au avut loc cândva. Prin urmare, nimeni nu îndrăznește să afirme nimic, limitându-se la ipoteze. Cu toate acestea, unul dintre ei a primit recent un argument foarte semnificativ - radiația cosmică de fond cu microunde.

În 1964, doi angajați ai unui cunoscut laborator, care efectuează observații radio ale satelitului Echo, având acces la echipamentele ultrasensibile adecvate, au decis să testeze unele dintre teoriile lor privind emisia radio proprie a anumitor obiecte spațiale.

Pentru a filtra posibilele interferențe din sursele de la sol, s-a decis să se utilizeze 7,35 cm.Totuși, după pornirea și reglarea antenei, a fost înregistrat un fenomen ciudat: un anumit zgomot, o componentă constantă de fundal, a fost înregistrată pe tot parcursul Univers. Nu depindea de poziția Pământului față de alte planete, ceea ce a eliminat imediat presupunerea interferențelor radio din acestea sau de ora din zi. Nici R. Wilson, nici A. Penzias nici măcar nu și-au dat seama că au descoperit radiația cosmică de fond cu microunde a universului.

Deoarece niciunul dintre ei nu și-a asumat acest lucru, atribuind „fondul” particularităților echipamentului (e suficient să ne amintim că antena cu microunde folosită era cea mai sensibilă la acea vreme), a trecut aproape un an întreg până a devenit evident că zgomotul înregistrat făcea parte din Universul însuși. Intensitatea semnalului radio detectat sa dovedit a fi aproape identică cu intensitatea radiației cu o temperatură de 3 Kelvin (1 Kelvin este egal cu -273 grade Celsius). Pentru comparație, zero Kelvin corespunde temperaturii unui obiect format din atomi nemișcați. variază de la 500 MHz la 500 GHz.

În acest moment, doi teoreticieni de la Universitatea Princeton - R. Dicke și D. Pibbles, pe baza noilor modele de dezvoltare a Universului, au calculat matematic că astfel de radiații ar trebui să existe și să pătrundă în tot spațiul. Inutil să spun că Penzias, care a aflat din greșeală despre prelegeri pe această temă, a contactat universitatea și a raportat că radiația cosmică de fond cu microunde a fost înregistrată.

Pe baza teoriei Big Bang, toată materia a apărut ca urmare a unei explozii colosale. În primii 300 de mii de ani după aceasta, spațiul a fost o combinație de particule elementare și radiații. Ulterior, din cauza expansiunii, temperaturile au început să scadă, ceea ce a făcut posibilă apariția atomilor. Radiația relicvă detectată este un ecou al acelor vremuri îndepărtate. În timp ce universul avea limite, densitatea particulelor era atât de mare încât radiația era „legată”, deoarece masa particulelor reflecta orice fel de unde, împiedicându-le să se propagă. Și numai după ce a început formarea atomilor, spațiul a devenit „transparent” pentru unde. Se crede că așa a apărut radiația cosmică de fond cu microunde. În momentul de față, fiecare centimetru cub de spațiu conține aproximativ 500 de cuante inițiale, deși energia lor a scăzut de aproape 100 de ori.

Radiația CMB în diferite părți ale Universului are temperaturi diferite. Acest lucru se datorează locației materiei primare în Universul în expansiune. Acolo unde densitatea atomilor materiei viitoare a fost mai mare, ponderea radiației și, prin urmare, temperatura acesteia, a fost redusă. În aceste direcții s-au format ulterior obiectele mari (galaxii și grupurile lor).

Studiul radiației cosmice de fond cu microunde ridică vălul incertitudinii asupra multor procese care au loc la începutul timpului.

Una dintre componentele fondului general al spațiului. e-mail mag. radiatii. R. și. uniform distribuită pe sfera cerească și în intensitate corespunde radiației termice a unui corp absolut negru la o temperatură de cca. 3 K, detectat de Amer. oamenii de știință A. Penzias și... Enciclopedie fizică

Radiația CMB, care umple Universul, radiația cosmică, al cărei spectru este apropiat de spectrul unui corp absolut negru, cu o temperatură de aproximativ 3 K. Observată la valuri de la câțiva mm până la zeci de cm, aproape izotrop. Originea...... Enciclopedie modernă

Radiația cosmică de fond, al cărei spectru este apropiat de spectrul unui corp complet negru, cu o temperatură de aprox. 3 K. Observat la valuri de la câțiva mm până la zeci de cm, aproape izotrop. Originea radiației cosmice de fond cu microunde este asociată cu evoluția... Dicţionar enciclopedic mare

radiația cosmică de fond cu microunde- Emisia radio cosmică de fundal, care s-a format în primele etape ale dezvoltării Universului. [GOST 25645.103 84] Subiecte, condiții, spațiu fizic. space EN radiații relicte... Ghidul tehnic al traducătorului

Radiația cosmică de fundal, al cărei spectru este apropiat de spectrul unui corp absolut negru, cu o temperatură de aproximativ 3°K. Observat la valuri de la câțiva milimetri până la zeci de centimetri, aproape izotrop. Originea radiației cosmice de fond cu microunde... ... Dicţionar enciclopedic

Radiația electromagnetică care umple partea observabilă a Universului (vezi Univers). R. și. exista deja în stadiile incipiente ale expansiunii Universului și a jucat un rol important în evoluția sa; este o sursă unică de informații despre trecutul ei... Marea Enciclopedie Sovietică

radiația CMB- (din latinescul relicium rest) radiația electromagnetică cosmică asociată cu evoluția Universului, care și-a început dezvoltarea după „big bang”; radiația cosmică de fundal, al cărei spectru este apropiat de spectrul unui corp complet negru cu... ... Începuturile științelor naturale moderne

Spațiu de fundal radiație, al cărei spectru este apropiat de spectrul unui corp absolut negru cu o temperatură de cca. 3 K. Observat la valuri de la mai multe. mm până la zeci de cm, aproape izotrop. Originea lui R. și. asociat cu evoluția Universului, spre paradis în trecut... ... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

Radiația cosmică de fond termic, al cărei spectru este apropiat de spectrul unui corp absolut negru cu o temperatură de 2,7 K. Originea radiației. asociat cu evoluția Universului, care în trecutul îndepărtat avea temperatură și densitate de radiație ridicate... ... Dicţionar astronomic

Cosmologie Epoca Universului Big Bang Distanța convergentă CMB Ecuația de stare cosmologică Energie întunecată Masă ascunsă Universul lui Friedmann Principiul cosmologic Modele cosmologice Formarea ... Wikipedia

Cărți

• Cosmologie, Steven Weinberg, laureatul Nobel, Steven Weinberg, monografia monumentală rezumă progresele înregistrate în cosmologia modernă în ultimele două decenii. Este unică în… Categorie: Astronomie Editura: Librocom,
• O nouă privire asupra unor concepte fundamentale și fapte experimentale ale fizicii, Emelyanov A.V. , Cartea este dedicată analizei a trei probleme interdependente ale fizicii: 1. Natura fizică a forțelor inerțiale, pe care Newton a început să le rezolve, dar nu le-a rezolvat. Această problemă complexă duce la concluzia că... Categorie: Întrebări generale. Istoria fizicii Seria: Editura:

Ce indică radiațiile „relicte”?

Radiația cosmică de fond se numește radiație cosmică de fond, al cărei spectru corespunde spectrului unui corp complet negru, cu o temperatură de aproximativ 3 grade Kelvin. Această radiație este observată la lungimi de undă care variază de la câțiva milimetri până la zeci de centimetri; este practic izotrop. Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde a fost o confirmare decisivă a teoriei Universului fierbinte, conform căreia Universul avea în trecut o densitate a materiei mult mai mare și o temperatură foarte ridicată decât acum. Radiația relicvă înregistrată astăzi este informații despre evenimentele din trecut, când vârsta Universului era de numai 300-500 de mii de ani, iar densitatea era de aproximativ 1000 de atomi pe centimetru cub. Atunci temperatura Universului primordial a scăzut la aproximativ 3000 de grade Kelvin, particulele elementare au format atomi de hidrogen și heliu, iar dispariția bruscă a electronilor liberi a dus la radiația pe care astăzi o numim fundal cosmic cu microunde.

Una dintre descoperirile interesante legate de spectrul electromagnetic este radiația cosmică de fond cu microunde. A fost descoperit întâmplător, deși a fost prezisă posibilitatea existenței sale.

Istoria descoperirii radiațiilor cosmice de fond cu microunde

Istoria descoperirii radiațiilor cosmice de fond cu microundeînceput în 1964. personal american de laborator Telefon Bell a dezvoltat un sistem de comunicații folosind un satelit artificial de Pământ. Acest sistem trebuia să funcționeze pe valuri de 7,5 centimetri lungime. Astfel de unde scurte au unele avantaje în raport cu comunicațiile radio prin satelit, dar Arno PenziasȘi Robert Wilson nimeni nu a rezolvat problema asta. Ei au fost pionierii în acest domeniu și au trebuit să se asigure că nu există interferențe puternice pe aceeași lungime de undă sau că lucrătorii din telecomunicații au știut din timp despre astfel de interferențe. La acea vreme, se credea că sursa undelor radio care veneau din spațiu nu putea fi decât obiecte punctiforme galaxii radio sau stele. Surse de unde radio. Oamenii de știință au avut la dispoziție un receptor excepțional de precis și o antenă cu corn rotativ. Cu ajutorul lor, oamenii de știință ar putea asculta întregul firmament în același mod în care un medic ascultă pieptul unui pacient cu un stetoscop.

Semnal sursă naturală

Și de îndată ce antena a fost îndreptată spre unul dintre punctele cerului, pe ecranul osciloscopului a dansat o linie curbă. Tipic semnal sursă naturală. Experții au fost probabil surprinși de norocul lor: chiar la primul punct măsurat a existat o sursă de emisie radio! Dar indiferent unde și-au îndreptat antena, efectul a rămas același. Oamenii de știință au verificat echipamentul din nou și din nou, dar era în stare perfectă. Și în cele din urmă și-au dat seama că au descoperit un fenomen natural necunoscut anterior: întregul Univers părea să fie plin de unde radio de lungime de centimetri. Dacă am putea vedea unde radio, firmamentul ni s-ar părea strălucitor de la o margine la alta.
Undele radio ale Universului. Descoperirea lui Penzias și Wilson a fost publicată. Și nu numai ei, ci și oamenii de știință din multe alte țări au început să caute surse de unde radio misterioase, preluate de toate antenele și receptoarele adaptate în acest scop, indiferent unde se află și indiferent în ce punct al cerului sunt vizate. , iar intensitatea emisiei radio la lungimea de undă de 7,5 centimetri în orice punct a fost absolut aceeași, părea să fie întinsă uniform pe întreg cerul.

Radiația CMB calculată de oamenii de știință

Oamenii de știință sovietici A. G. Doroshkevich și I. D. Novikov, care au prezis radiația cosmică de fond cu microunde inainte sa se deschida, a făcut calcule complexe. Ei au luat în considerare toate sursele de radiații disponibile în Universul nostru și, de asemenea, au luat în considerare modul în care radiația anumitor obiecte s-a schimbat în timp. Și s-a dovedit că în regiunea undelor centimetrice toate aceste radiații sunt minime și, prin urmare, nu sunt în niciun fel responsabile pentru strălucirea cerului detectată. Între timp, calcule suplimentare au arătat că densitatea radiațiilor mânjite este foarte mare. Iată o comparație a jeleului de fotoni (așa au numit oamenii de știință radiația misterioasă) cu masa întregii materie din Univers. Dacă toată materia tuturor galaxiilor vizibile este „împrăștiată” uniform în întregul spațiu al Universului, atunci va exista doar un atom de hidrogen la trei metri cubi de spațiu (pentru simplitate, vom considera că toată materia stelelor este hidrogen ). Și, în același timp, fiecare centimetru cub de spațiu real conține aproximativ 500 de fotoni de radiație. Destul de mult, chiar dacă comparăm nu numărul de unități de materie și radiații, ci direct masele acestora. De unde au venit radiațiile atât de intense? La un moment dat, omul de știință sovietic A. A. Friedman, rezolvând celebrele ecuații ale lui Einstein, a descoperit că Universul nostru este în continuă expansiune. Confirmarea acestui lucru a fost găsită în curând. Americanul E. Hubble a descoperit fenomenul recesiunii galaxiilor. Extrapolând acest fenomen în trecut, putem calcula momentul în care toată materia Universului se afla într-un volum foarte mic și densitatea ei era incomparabil mai mare decât acum. În timpul expansiunii Universului, lungimea de undă a fiecărui cuantum crește proporțional cu expansiunea Universului; în acest caz, cuantica pare să se „răce” - la urma urmei, cu cât lungimea de undă a cuantumului este mai mică, cu atât este „mai fierbinte”. Radiația de astăzi la scară centimetrică are o temperatură de luminozitate de aproximativ 3 grade Kelvin absolute. Și acum zece miliarde de ani, când Universul era incomparabil mai mic și densitatea materiei sale era foarte mare, aceste cuante aveau o temperatură de aproximativ 10 miliarde de grade. De atunci, Universul nostru a fost „îngropat” cu cuante de radiații care se răcesc continuu. De aceea, emisia radio centimetrică „împânzită” în întregul Univers se numește radiație cosmică de fond cu microunde. Relicve, după cum știți, sunt numele rămășițelor celor mai vechi animale și plante care au supraviețuit până în zilele noastre. Quante de radiație centimetrică sunt cu siguranță cele mai vechi dintre toate relicvele posibile. La urma urmei, formarea lor datează dintr-o eră aflată la aproximativ 15 miliarde de ani distanță de noi.

Cunoștințele despre Univers au adus radiații cosmice de fond cu microunde

Aproape nimic nu se poate spune despre cum era materia în momentul zero, când densitatea ei era infinit de mare. Dar fenomenele şi procesele care au avut loc în timpul Univers, la doar o secundă după nașterea ei și chiar mai devreme, până la 10~8 secunde, oamenii de știință își imaginează deja destul de bine. Informații despre asta au fost aduse tocmai radiația cosmică de fond cu microunde. Deci, a trecut o secundă de la momentul zero. Materia Universului nostru avea o temperatură de 10 miliarde de grade și consta într-un fel de „terci” cuante relicve, electrozi, pozitroni, neutrini și antineutrini . Densitatea „terciului” a fost enormă - mai mult de o tonă pe centimetru cub. În astfel de „condiții de aglomerație”, ciocnirile de neutroni și pozitroni cu electroni au avut loc continuu, protonii s-au transformat în neutroni și invers. Dar, mai ales, au existat cuante aici - de 100 de milioane de ori mai multe decât neutronii și protonii. Desigur, la o asemenea densitate și temperatură, nu puteau exista nuclee complexe de materie: nu s-au degradat aici. Au trecut o sută de secunde. Expansiunea Universului a continuat, densitatea lui a scăzut continuu, iar temperatura i-a scăzut. Pozitronii aproape au dispărut, neutronii s-au transformat în protoni. A început formarea nucleelor ​​atomice de hidrogen și heliu. Calculele efectuate de oamenii de știință arată că 30% dintre neutroni s-au combinat pentru a forma nuclee de heliu, în timp ce 70% dintre ei au rămas singuri și au devenit nuclee de hidrogen. În cursul acestor reacții au apărut noi cuante, dar numărul lor nu a mai putut fi comparat cu cel inițial, așa că putem presupune că nu s-a schimbat deloc. Expansiunea Universului a continuat. Densitatea „terciului”, atât de puternic preparat de natură la început, a scăzut proporțional cu cubul distanței liniare. Au trecut ani, secole, milenii. Au trecut 3 milioane de ani. Temperatura „terciului” până în acest moment a scăzut la 3-4 mii de grade, densitatea materiei s-a apropiat și de ceea ce știm astăzi, dar aglomerații de materie din care s-ar putea forma stelele și galaxiile nu au putut încă să apară. Presiunea radiației era prea mare în acel moment, împingând orice astfel de formațiune. Chiar și atomii de heliu și hidrogen au rămas ionizați: electronii existau separat, protonii și nucleele atomilor existau și ei separat. Abia spre sfârșitul perioadei de trei milioane de ani au început să apară primele condens în „terciul” de răcire. La început au fost foarte puțini. De îndată ce o mie din „terci” s-a condensat în protostele deosebite, aceste formațiuni au început să „ardă” în mod similar stelelor moderne. Iar fotonii și cuantele de energie emise de aceștia au încălzit „terciul” care începuse să se răcească la temperaturi la care formarea de noi condensuri s-a dovedit din nou imposibilă. Perioadele de răcire și reîncălzire a „terciului” prin erupții de protostele au alternat, înlocuindu-se unul pe celălalt. Și într-un anumit stadiu al expansiunii Universului, formarea de noi condensuri a devenit aproape imposibilă, deoarece „terciul” odată atât de gros devenise prea „lichefiat”. Aproximativ 5 la sută din materie a reușit să se unească, iar 95 la sută a fost împrăștiată în spațiul Universului în expansiune. Așa s-au „risipit” cuantele cândva fierbinți care formau radiația relictă. Așa s-au împrăștiat nucleele atomilor de hidrogen și heliu, care făceau parte din „terci”.

Ipoteza formării Universului

Iată una dintre ele: cea mai mare parte a materiei din Universul nostru nu se află în compoziția planetelor, stelelor și galaxiilor, ci formează gaz intergalactic - 70% hidrogen și 30% heliu, un atom de hidrogen pe metru cub de spațiu. Apoi, dezvoltarea Universului a trecut de stadiul protostelelor și a intrat în stadiul materiei care este obișnuită pentru noi, galaxii spirale obișnuite, stele obișnuite, dintre care cea mai familiară este a noastră. În jurul unora dintre aceste stele s-au format sisteme planetare și pe cel puțin una dintre aceste planete a apărut viața, care în cursul evoluției a dat naștere inteligenței. Oamenii de știință nu știu încă cât de des se găsesc stele înconjurate de un cerc de planete în vastitatea spațiului. Ei nu pot spune nimic despre cât de des.
Dansul rotund al planetelor. Și întrebarea cât de des planta vieții înflorește în floarea luxuriantă a rațiunii rămâne deschisă. Ipotezele cunoscute de noi astăzi care interpretează toate aceste probleme sunt mai degrabă ca niște presupuneri nefondate. Dar astăzi știința se dezvoltă ca o avalanșă. Mai recent, oamenii de știință nu aveau idee cum a început a noastră. Radiația cosmică de fond cu microunde, descoperită cu aproximativ 70 de ani în urmă, a făcut posibilă pictarea acestei imagini. Astăzi, omenirea nu are suficiente fapte, pe baza cărora, să poată răspunde la întrebările formulate mai sus. Pătrunderea în spațiul cosmic, vizitele pe Lună și pe alte planete aduc fapte noi. Iar faptele nu mai sunt urmate de ipoteze, ci de concluzii stricte.

Radiația CMB indică omogenitatea Universului

Ce le-au mai spus oamenilor de știință razele relicte, acești martori ai nașterii Universului nostru? A. A. Friedman a rezolvat una dintre ecuațiile date de Einstein, iar pe baza acestei soluții a descoperit expansiunea Universului. Pentru a rezolva ecuațiile lui Einstein a fost necesar să se stabilească așa-numitele condiții inițiale. Friedman a pornit de la presupunerea că Universul este omogenși izotrop, adică substanța din ea este distribuită uniform. Și în cei 5-10 ani care au trecut de la descoperirea lui Friedman, întrebarea dacă această presupunere a fost corectă a rămas deschisă. Acum, practic, a fost eliminat. Izotropia Universului este evidențiată de uniformitatea uimitoare a emisiei radio relicte. Al doilea fapt indică același lucru - distribuția materiei Universului între Galaxii și gazul intergalactic.
La urma urmei, gazul intergalactic, care alcătuiește cea mai mare parte a materiei Universului, este distribuit în el la fel de uniform ca cuantele relicve.. Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde face posibilă privirea nu numai în trecutul ultra-depărtat - dincolo de limitele timpului în care nu exista nici Pământul, nici Soarele, nici Galaxia, nici chiar Universul însuși. Asemenea unui telescop uimitor care poate fi îndreptat în orice direcție, descoperirea CMB ne permite să privim în viitorul ultra îndepărtat. Atât de-depărtați, când nu va mai exista Pământ, Soare, Galaxie. Fenomenul de expansiune a Universului va ajuta aici modul în care stelele sale constitutive, galaxiile, norii de praf și gaz se împrăștie în spațiu. Este acest proces etern? Sau extinderea va încetini, va opri și apoi va lăsa loc compresiei? Și nu sunt comprimările și expansiunile succesive ale Universului un fel de pulsații ale materiei, indestructibile și eterne? Răspunsul la aceste întrebări depinde în primul rând de cât de multă materie este conținută în Univers. Dacă gravitația sa totală este suficientă pentru a depăși inerția expansiunii, atunci expansiunea va lăsa inevitabil loc compresiei, în care galaxiile se vor apropia treptat. Ei bine, dacă forțele gravitaționale nu sunt suficiente pentru a încetini și a depăși inerția expansiunii, Universul nostru este condamnat: se va disipa în spațiu! Soarta viitoare a întregului nostru Univers! Există o problemă mai mare? Studiul radiației cosmice de fond cu microunde a oferit științei oportunitatea de a o prezenta. Și este posibil ca cercetările ulterioare să o rezolve.