Cos'è la radiazione reliquia? Cambiamento della temperatura della radiazione relitta nel tempo Confermata la rilevazione sperimentale della radiazione relitta.

Una delle scoperte interessanti legate allo spettro elettromagnetico è radiazione cosmica di fondo. È stato scoperto per caso, sebbene fosse stata prevista la possibilità della sua esistenza.

La storia della scoperta della radiazione reliquia

La storia della scoperta della radiazione reliquia iniziato nel 1964. Personale del laboratorio americano Campanello ha sviluppato un sistema di comunicazione utilizzando un satellite terrestre artificiale. Questo sistema avrebbe dovuto funzionare su onde con una lunghezza di 7,5 centimetri. Tali onde corte in relazione alle comunicazioni radio satellitari presentano alcuni vantaggi, ma fino a Arno Penzias E Roberto Wilson nessuno ha risolto questo problema. Erano pionieri in questo campo e dovevano assicurarsi che non ci fossero forti interferenze sulla stessa lunghezza d'onda o che gli addetti alle comunicazioni fossero a conoscenza di tali interferenze in anticipo. A quel tempo, si credeva che indicassero solo oggetti simili radiogalassie O stelle. Sorgenti di onde radio. Gli scienziati avevano a disposizione un ricevitore estremamente preciso e un'antenna a tromba rotante. Con il loro aiuto, gli scienziati potrebbero ascoltare l'intero firmamento più o meno allo stesso modo in cui un medico ascolta il torace di un paziente con uno stetoscopio.

Segnale sorgente naturale

E non appena l'antenna fu puntata su uno dei punti del cielo, una linea curva danzò sullo schermo dell'oscilloscopio. Tipico segnale sorgente naturale. Probabilmente gli esperti sono rimasti sorpresi dalla loro fortuna: proprio nel primo punto misurato c'è una fonte di emissione radio! Ma ovunque puntassero l’antenna, l’effetto rimaneva lo stesso. Gli scienziati hanno ripetutamente controllato la funzionalità dell'attrezzatura, ma era in perfetto ordine. E alla fine, si resero conto di aver scoperto un fenomeno della natura precedentemente sconosciuto: l'intero universo era, per così dire, pieno di onde radio lunghe un centimetro. Se potessimo vedere le onde radio, il firmamento ci apparirebbe luminoso da un bordo all'altro.
Onde radio dell'Universo. Pubblicata la scoperta di Penzias e Wilson. E non solo loro, ma anche scienziati di molti altri paesi hanno iniziato a cercare fonti di misteriose onde radio che vengono catturate da tutte le antenne e ricevitori adattati a questo scopo, ovunque si trovino e indipendentemente dal punto del cielo a cui mirano, e l'intensità dell'emissione radio ad una lunghezza d'onda di 7,5 centimetri in qualsiasi punto era esattamente la stessa, sembrava distribuita uniformemente nel cielo.

Radiazione CMB calcolata dagli scienziati

Gli scienziati sovietici A. G. Doroshkevich e I. D. Novikov, che predissero radiazione di fondo prima della sua apertura fatto i calcoli più difficili.. Hanno preso in considerazione tutte le fonti di radiazione disponibili nel nostro Universo e hanno tenuto conto di come la radiazione di alcuni oggetti è cambiata nel tempo. E si è scoperto che nella regione delle onde centimetriche tutte queste radiazioni sono minime e, quindi, non sono in alcun modo responsabili del bagliore del cielo rilevato. Nel frattempo, ulteriori calcoli hanno dimostrato che la densità della radiazione diffusa è molto elevata. Ecco un confronto tra la gelatina di fotoni (come gli scienziati chiamavano la misteriosa radiazione) e la massa di tutta la materia nell'universo. Se tutta la materia di tutte le galassie visibili fosse uniformemente "sparsa" sull'intero spazio dell'Universo, allora ci sarebbe solo un atomo di idrogeno per tre metri cubi di spazio (per semplicità, considereremo tutta la materia delle stelle come idrogeno) . Allo stesso tempo, ogni centimetro cubo di spazio reale contiene circa 500 fotoni di radiazione. Molto, anche se confrontiamo non il numero di unità di materia e radiazione, ma direttamente le loro masse. Da dove provenivano radiazioni così intense? Un tempo, lo scienziato sovietico A. A. Fridman, risolvendo le famose equazioni di Einstein, lo scoprì il nostro universo è in costante espansione. Ben presto ne fu trovata la conferma. Scoperto l'americano E. Hubble recessione delle galassie. Estrapolando questo fenomeno nel passato, si può calcolare il momento in cui tutta la materia dell'Universo si trovava in un volume molto piccolo e la sua densità era incomparabilmente maggiore di adesso. Nel corso dell'espansione dell'Universo, anche l'allungamento della lunghezza d'onda di ciascun quanto avviene in proporzione all'espansione dell'Universo; allo stesso tempo, il quanto è, per così dire, "raffreddato" - dopo tutto, più corta è la lunghezza d'onda del quanto, più è "caldo". La radiazione centimetrica odierna ha una temperatura di luminosità di circa 3 gradi Kelvin assoluti. E dieci miliardi di anni fa, quando l'Universo era incomparabilmente più piccolo e la densità della sua materia era molto alta, questi quanti avevano una temperatura di circa 10 miliardi di gradi. Da allora, il nostro Universo è stato “riempito” di quanti di radiazione in continuo raffreddamento. Questo è il motivo per cui l'emissione radio centimetrica "sparsa" sull'Universo veniva chiamata radiazione relitta. reliquie, come sapete, sono chiamati i resti degli animali e delle piante più antichi sopravvissuti fino ad oggi. I quanti di radiazione centimetrici sono di gran lunga le più antiche reliquie possibili. Del resto la loro formazione appartiene a un’era che dista da noi circa 15 miliardi di anni.

La conoscenza dell'universo ha portato la radiazione cosmica di fondo a microonde

Praticamente non si può dire nulla su come fosse la materia al momento zero, quando la sua densità era infinitamente alta. Ma i fenomeni e i processi che hanno avuto luogo in universo, appena un secondo dopo la sua nascita e anche prima, fino a 10 ~ 8 secondi, gli scienziati lo capiscono già abbastanza bene. Le informazioni al riguardo sono state fornite da radiazione di fondo. Quindi è passato un secondo dal momento zero. La materia del nostro Universo aveva una temperatura di 10 miliardi di gradi ed era costituita da una specie di "porridge" quanti relitti, elettrodi, positroni, neutrini e antineutrini . La densità del "porridge" era enorme: più di una tonnellata per ogni centimetro cubo. In tale "angustezza" si verificavano continuamente collisioni di neutroni e positroni con elettroni, i protoni si trasformavano in neutroni e viceversa. Ma soprattutto qui c'erano dei quanti: 100 milioni di volte più di neutroni e protoni. Naturalmente, a tale densità e temperatura, non potrebbero esistere nuclei complessi di materia: qui non sono decaduti. Sono passati cento secondi. L'espansione dell'Universo continuò, la sua densità diminuì continuamente, la temperatura scese. I positroni sono quasi scomparsi, i neutroni si sono trasformati in protoni. Inizia la formazione dei nuclei atomici di idrogeno ed elio. I calcoli effettuati dagli scienziati mostrano che il 30% dei neutroni si è combinato per formare nuclei di elio, mentre il 70% di essi è rimasto solo, diventando nuclei di idrogeno. Nel corso di queste reazioni sono comparsi nuovi quanti, ma il loro numero non poteva più essere paragonato a quello originale, quindi possiamo supporre che non sia cambiato affatto. L'espansione dell'universo continuava. La densità del "porridge", preparato così ripidamente dalla natura all'inizio, diminuiva in proporzione al cubo della distanza lineare. Passarono anni, secoli, millenni. Sono passati 3 milioni di anni. La temperatura del “porridge” in quel momento era scesa a 3-4mila gradi, anche la densità della sostanza si avvicinava a quella a noi nota oggi, tuttavia non potevano ancora sorgere grumi di materia da cui potevano formarsi stelle e galassie. A quel tempo, la pressione della radiazione era troppo grande e spingeva in disparte qualsiasi formazione del genere. Anche gli atomi di elio e idrogeno rimasero ionizzati: gli elettroni esistevano separatamente, i protoni e i nuclei atomici anche separatamente. Solo verso la fine del periodo di tre milioni di anni cominciarono ad apparire i primi addensamenti nel "porridge" rinfrescante. All'inizio erano pochissimi. Non appena un millesimo del "porridge" si condensò in peculiari protostelle, queste formazioni iniziarono a "bruciare" in modo simile alle stelle moderne. E i fotoni e i quanti di energia da essi emessi riscaldarono il “porridge” che aveva cominciato a raffreddarsi fino a temperature alle quali la formazione di nuove condensazioni si rivelò nuovamente impossibile. I periodi di raffreddamento e riscaldamento del “porridge” mediante esplosioni di protostelle si alternavano, sostituendosi a vicenda. E ad un certo punto dell'espansione dell'Universo, la formazione di nuovi grumi è diventata praticamente impossibile, se non altro perché il "porridge" una volta così denso era troppo "diluito". Circa il 5% della materia è riuscita a unirsi e il 95% si è disperso nello spazio dell'Universo in espansione. È così che anche i quanti un tempo caldi, che formavano la radiazione relitta, si sono "dispersi". È così che si sono sparsi i nuclei degli atomi di idrogeno ed elio, che facevano parte del "porridge".

L'ipotesi della formazione dell'Universo

Eccone uno: la maggior parte della materia nel nostro Universo non fa affatto parte dei pianeti, delle stelle e delle galassie, ma forma un gas intergalattico: 70% idrogeno e 30% elio, un atomo di idrogeno per metro cubo di spazio. . Quindi lo sviluppo dell'Universo ha superato lo stadio delle protostelle ed è entrato nello stadio della materia a noi familiare, galassie a spirale ordinarie che si aprono, stelle ordinarie, la più familiare delle quali è la nostra. Attorno ad alcune di queste stelle si formarono sistemi planetari, almeno su uno di questi pianeti nacque la vita, che nel corso dell'evoluzione diede origine all'intelligenza. Con quale frequenza le stelle si trovano nella vastità dello spazio, circondate da una danza circolare di pianeti, gli scienziati non lo sanno ancora. Né possono dire nulla sulla frequenza.
Danza rotonda dei pianeti. E rimane aperta la questione su quanto spesso la pianta della vita sboccia in un rigoglioso fiore della mente. Le ipotesi a noi note oggi che trattano tutte queste domande sono più simili a ipotesi infondate. Ma oggi la scienza si sta sviluppando come una valanga. Più recentemente, gli scienziati non avevano idea di come fosse iniziata la nostra. La radiazione relitta, scoperta circa 70 anni fa, ha permesso di tracciare quel quadro. Oggi l’umanità non dispone di fatti in base ai quali poter rispondere alle domande sopra formulate. La penetrazione nello spazio, le visite alla Luna e ad altri pianeti, portano nuovi fatti. E ai fatti non seguono più ipotesi, ma conclusioni rigorose.

La radiazione reliquia parla dell'omogeneità dell'universo

Cos'altro hanno detto agli scienziati i raggi reliquia, questi testimoni della nascita del nostro Universo? A. A. Fridman risolse una delle equazioni date da Einstein e sulla base di questa soluzione scoprì l'espansione dell'Universo. Per risolvere le equazioni di Einstein era necessario porre le cosiddette condizioni iniziali. Friedman è partito dal presupposto che L'universo è omogeneo e isotropo, nel senso che la materia è distribuita uniformemente in esso. E durante i 5-10 anni trascorsi dalla scoperta di Friedman, la questione se questa ipotesi fosse corretta è rimasta aperta. Ora è stato sostanzialmente rimosso. L'isotropia dell'Universo è evidenziata dalla sorprendente uniformità dell'emissione radio relitta. Lo stesso testimonia il secondo fatto: la distribuzione della materia dell'Universo tra le galassie e il gas intergalattico.
Dopotutto, il gas intergalattico, che costituisce la parte principale della materia dell'Universo, è distribuito su di esso in modo uniforme come i quanti relitti.. La scoperta della radiazione relitta consente di guardare non solo nel passato ultradistante, oltre i limiti del tempo in cui non esistevano né la nostra Terra, né il nostro Sole, né la nostra Galassia, né l'Universo stesso. Come uno straordinario telescopio che può essere puntato in qualsiasi direzione, la scoperta del fondo cosmico a microonde permette di guardare verso un futuro ultra lontano. Così ultra-distante, quando non ci sarà né la Terra, né il Sole, né la Galassia. Qui aiuterà il fenomeno dell'espansione dell'Universo, poiché le stelle che lo compongono, le galassie, le nuvole di polvere e gas si disperdono nello spazio. Questo processo è eterno? Oppure l’espansione rallenterà, si fermerà e poi sarà sostituita dalla compressione? E le successive contrazioni ed espansioni dell'Universo non sono forse una sorta di pulsazioni della materia, indistruttibili ed eterne? La risposta a queste domande dipende principalmente da quanta materia è contenuta nell'universo. Se la sua gravità generale è sufficiente a superare l'inerzia dell'espansione, allora l'espansione sarà inevitabilmente sostituita dalla contrazione, in cui le Galassie si avvicineranno gradualmente l'una all'altra. Ebbene, se le forze di gravità non bastano a rallentare e vincere l'inerzia dell'espansione, il nostro Universo è spacciato: si dissiperà nello spazio! Il destino imminente del nostro intero universo! C'è un problema più grande? Lo studio delle radiazioni relitte ha dato alla scienza l’opportunità di realizzarlo. Ed è possibile che ulteriori ricerche risolvano il problema.

Nonostante l'uso di strumenti moderni e dei metodi più recenti per studiare l'Universo, la questione del suo aspetto è ancora aperta. Ciò non sorprende, vista la sua età: secondo gli ultimi dati va dai 14 ai 15 miliardi di anni. È ovvio che da allora ci sono state pochissime prove dei processi un tempo grandiosi su scala universale. Nessuno, quindi, osa affermare nulla, limitandosi a ipotesi. Tuttavia, uno di loro ha recentemente ricevuto un argomento molto significativo: la radiazione delle reliquie.

Nel 1964, due dipendenti di un noto laboratorio che effettuava il monitoraggio radio del satellite Echo, disponendo di adeguate apparecchiature ultrasensibili, decisero di testare alcune delle loro teorie riguardanti l'emissione radio intrinseca di alcuni oggetti spaziali.

Per eliminare eventuali interferenze provenienti da sorgenti terrestri si decise di utilizzare 7,35 cm, ma dopo aver acceso e sintonizzato l'antenna si registrò uno strano fenomeno: un certo rumore, una componente di fondo costante, veniva registrato in tutto l'Universo. Non dipendeva dalla posizione della Terra rispetto agli altri pianeti, il che eliminava immediatamente l'ipotesi di queste interferenze radio o dell'ora del giorno. Né R. Wilson né A. Penzias immaginavano nemmeno di aver scoperto la radiazione cosmica di fondo a microonde.

Poiché nessuno di loro se lo aspettava, attribuendo il “fondo” alle caratteristiche dell'apparecchiatura (basti ricordare che l'antenna a microonde utilizzata era la più sensibile in quel momento), passò quasi un anno intero prima che diventasse evidente che il rumore registrato fa parte dell'Universo stesso. L'intensità del segnale radio catturato si è rivelata quasi identica all'intensità della radiazione ad una temperatura di 3 Kelvin (1 Kelvin è pari a -273 gradi Celsius). Per fare un confronto: zero secondo Kelvin corrisponde alla temperatura di un oggetto di atomi immobili. è compreso tra 500 MHz e 500 GHz.

In questo momento, due teorici dell'Università di Princeton - R. Dicke e D. Pibbles, sulla base di nuovi modelli di sviluppo dell'Universo, calcolarono matematicamente che tale radiazione dovrebbe esistere e permeare tutto lo spazio. Inutile dire che Penzias, che ha scoperto per caso delle lezioni su questo argomento, ha contattato l'università e ha riferito che era stato registrato lo sfondo cosmico a microonde.

Secondo la teoria del Big Bang, tutta la materia è nata come risultato di una colossale esplosione. Per i primi 300mila anni successivi, lo spazio fu una combinazione di particelle elementari e radiazioni. Successivamente, a causa dell'espansione, le temperature iniziarono ad abbassarsi, il che rese possibile la comparsa degli atomi. La radiazione delle reliquie registrate è un'eco di quei tempi lontani. Finché l'universo aveva dei confini, la densità delle particelle era così elevata che la radiazione era “accoppiata” perché la massa delle particelle rifletteva qualsiasi tipo di onda, impedendo loro di propagarsi. E solo dopo l'inizio della formazione degli atomi, lo spazio è diventato "trasparente" per le onde. Si ritiene che la radiazione della reliquia sia apparsa in questo modo. Attualmente ogni centimetro cubo di spazio contiene circa 500 quanti iniziali, sebbene la loro energia sia diminuita di quasi 100 volte.

La radiazione relitta in diverse parti dell'universo ha temperature diverse. Ciò è dovuto alla posizione della materia primaria nell'universo in espansione. Laddove la densità dei futuri atomi della materia era maggiore, la proporzione della radiazione, e quindi la sua temperatura, era ridotta. Fu in queste direzioni che successivamente si formarono grandi oggetti (galassie e loro ammassi).

Lo studio delle radiazioni delle reliquie solleva il velo di incertezza su molti processi che si verificano all'inizio dei tempi.

La radiazione relitta è la radiazione di fondo a microonde, che è la stessa in tutte le direzioni e ha uno spettro caratteristico di un corpo completamente nero ad una temperatura di ~ 2,7 K.

Si ritiene che questa radiazione possa essere utilizzata per trovare la risposta alla domanda: da dove viene? In effetti, la radiazione relitta è ciò che resta della "costruzione dell'Universo", quando cominciò ad emergere solo dopo l'espansione del denso plasma caldo. Per facilitare la comprensione di cosa sia la radiazione relitta, confrontiamola con i resti dell'attività umana. Ad esempio, una persona inventa qualcosa, altri lo acquistano, lo usano e buttano via i rifiuti. Quindi la spazzatura (il risultato stesso della vita umana) è un analogo della radiazione relitta. Dalla spazzatura puoi scoprire tutto: dove si trovava una persona in un certo periodo di tempo, cosa ha mangiato, cosa indossava e persino di cosa stava parlando. Inoltre, radiazioni reliquie. Secondo le sue proprietà, gli scienziati stanno cercando di costruire un'immagine del momento del big bang, che possa dare una risposta alla domanda: come è apparso l'Universo? Tuttavia, le leggi di conservazione dell'energia creano alcuni disaccordi sull'origine dell'universo, perché nulla viene preso dal nulla e non va da nessuna parte. Le dinamiche del nostro universo sono transizioni, cambiamenti nelle proprietà e negli stati. Questo può essere osservato anche sul nostro pianeta. Ad esempio, un fulmine globulare appare in un grumo di una nuvola di particelle d'acqua?! Come? Come può essere? Nessuno può spiegare l'origine di certe leggi. Ci sono solo momenti di scoperta di queste leggi, così come la storia della scoperta delle radiazioni reliquie.

Fatti storici dello studio delle radiazioni reliquie

Per la prima volta, Georgy Antonovich Gamov (George Gamow) ha menzionato la CMB quando ha cercato di spiegare la teoria del Big Bang. Presumeva che una sorta di radiazione residua riempisse lo spazio di un universo in continua espansione. Nel 1941, mentre studiava l'estinzione di una delle stelle dell'ammasso Ophiuchi, Andrew McKellar notò righe di assorbimento spettrale della luce che corrispondevano ad una temperatura di 2,7 K. Nel 1948, Georgy Gamow, Ralph Alfert e Robert German fissarono la temperatura dell'ammasso radiazione cosmica di fondo a microonde a 5 K. Successivamente Georgy Gamow suggerì una temperatura inferiore a quella conosciuta a 3 K. Ma questo era solo uno studio superficiale di questo fatto, a quel tempo sconosciuto a nessuno. All'inizio degli anni '60, Robert Dicke e Yakov Zel'dovich ottennero gli stessi risultati di Gamow, fissando onde la cui intensità di radiazione non dipendeva dal tempo. La mente curiosa degli scienziati ha dovuto creare uno speciale radiotelescopio per una registrazione più accurata delle radiazioni delle reliquie. All'inizio degli anni '80, con lo sviluppo dell'industria spaziale, le radiazioni relitte iniziarono a essere studiate con maggiore attenzione a bordo di un veicolo spaziale. È stato possibile stabilire la proprietà isotropica della radiazione relitta (le stesse proprietà in tutte le direzioni, ad esempio, 5 passi verso nord in 10 secondi e 5 passi verso sud saranno anche in 10 secondi). Ad oggi, continuano gli studi sulle proprietà degli studi sulle reliquie e sulla storia della sua presenza.

Quali sono le proprietà della radiazione reliquia?

Spettro CMB da dati ottenuti con lo strumento FIRAS a bordo del satellite COBE

Lo spettro della CMB è di 2,75 Kelvin, che è simile alla fuliggine raffreddata a questa temperatura. Tale sostanza assorbe sempre la radiazione (luce) che cade su di essa, indipendentemente da come la influenzi. Almeno mettilo in una bobina magnetica, almeno lancia una bomba nucleare, almeno brilla con un faro. Un corpo del genere emette anche piccole radiazioni. Ma questo dimostra solo il fatto che nulla è assoluto. È sempre possibile dedurre una legge ideale per un tempo infinitamente lungo, per raggiungere il massimo di una certa proprietà di qualcosa, ma rimarrà sempre una piccola frazione di inerzia.

Fatti interessanti legati allo studio delle radiazioni delle reliquie

La frequenza massima della radiazione della reliquia è stata registrata a 160,4 GHz, che equivale a un'onda di 1,9 mm. E la densità di tale radiazione è di 400-500 fotoni per cm 3. La radiazione CMB è la radiazione più antica che si possa osservare nell’universo. Ogni particella ha viaggiato 400.000 anni per raggiungere la Terra. Non chilometri, ma anni! Secondo le osservazioni del satellite e i calcoli matematici, la radiazione cosmica di fondo sembra fermarsi e tutte le galassie e le costellazioni si muovono rispetto ad essa ad una velocità tremenda, dell'ordine di centinaia di chilometri al secondo. È come guardare dal finestrino di un treno in corsa. La temperatura della radiazione di fondo nella direzione della costellazione è più alta dello 0,1%, mentre nella direzione opposta è più bassa dello 0,1%. Ciò spiega il movimento del Sole nella direzione di questa costellazione rispetto allo sfondo.

Cosa ci offre lo studio della radiazione relitta?

L'universo primordiale era freddo, molto freddo. Perché l'universo era così freddo e cosa accadde quando iniziò l'espansione dell'universo? Si può presumere che, a causa del big bang, un'enorme quantità di grumi di energia sia stata espulsa dall'universo, quindi l'Universo si è raffreddato, quasi congelato, ma col tempo l'energia ha cominciato a riunirsi di nuovo in grumi e un si verificò una certa reazione che diede inizio al processo di espansione dell'universo. Allora da dove viene la materia oscura e interagisce con lo sfondo cosmico a microonde? Forse la CMB è il risultato della decomposizione della materia oscura, il che è più logico della radiazione residua del big bang. Poiché l'energia oscura può essere antimateria e particelle di materia oscura, scontrandosi con particelle di materia, formano radiazioni nel mondo materiale e antimateriale come la radiazione relitta. Si tratta ad oggi dell’area della scienza più recente e inesplorata in cui è possibile ottenere successi e imprimerli nella storia della scienza e della società.

Cosa indica la radiazione "reliquia"?

Reliquia chiamata radiazione cosmica di fondo, il cui spettro corrisponde allo spettro di un corpo completamente nero con una temperatura di circa 3 gradi Kelvin. Questa radiazione viene osservata a lunghezze d'onda da pochi millimetri a decine di centimetri; è quasi isotropo. La scoperta della radiazione relitta fu una conferma decisiva della teoria dell'Universo caldo, secondo la quale in passato l'Universo aveva una densità di materia molto più elevata e una temperatura molto elevata rispetto ad oggi. La radiazione relitta registrata oggi è informazione su eventi passati molto tempo fa, quando l'età dell'Universo era di soli 300-500 mila anni e la densità era di circa 1000 atomi per centimetro cubo. Fu allora che la temperatura dell'Universo originale scese fino a circa 3000 gradi Kelvin, le particelle elementari formarono atomi di idrogeno ed elio e l'improvvisa scomparsa degli elettroni liberi portò alla radiazione, che oggi chiamiamo relitta.

Le prime stime teoriche della temperatura prevista della radiazione della reliquia sono contenute nei lavori di Gamow e Alfer, effettuati negli anni '50. Hanno indicato una cifra di circa 5 K. Questa radiazione può essere osservata sullo sfondo della radiazione elettromagnetica di stelle e radiogalassie? Nel lavoro dell'astrofisico sovietico A.G. Doroshkevich e dell'autore nel 1964, fu calcolato per la prima volta in modo specifico quanto l'intensità della radiazione cosmica di fondo a microonde (se esiste, ovviamente) dovrebbe superare l'intensità della radiazione delle radiogalassie e altre fonti nella regione centimetrica dello spettro. Divenne chiara la possibilità di organizzare un esperimento decisivo per la ricerca della radiazione relitta, da cui dipendeva la scelta tra i modelli caldo e freddo dell'Universo. Ma questo lavoro teorico è passato inosservato agli osservatori.

La radiazione reliquia fu scoperta quasi per caso nel 1965 da Penzias e Wilson, dipendenti della società americana Bell, durante il debug di un'antenna radio a tromba progettata per osservare il satellite Echo. Hanno trovato un debole rumore radio di fondo proveniente dallo spazio, indipendente dalla direzione dell’antenna. Dicke, Peebles, Roll e Wilkinson diedero immediatamente una spiegazione cosmologica alle misurazioni di Penzias e Wilson come prova di un modello caldo dell'universo. A quel tempo, Dicke e i suoi collaboratori stavano preparando l'attrezzatura per la ricerca del fondo radio proveniente dalle radiazioni relitte ad una lunghezza d'onda di 3 cm. Le prime osservazioni di Penzias e Wilson furono fatte alle 7,35 cm. Hanno dimostrato che la temperatura della radiazione è circa 3° della scala Kelvin assoluta. Negli anni successivi furono effettuate numerose misurazioni a varie lunghezze d'onda, da decine di centimetri a frazioni di millimetro.

Le osservazioni hanno dimostrato che lo spettro di emissione è in equilibrio, come previsto dalla teoria dell'Universo caldo. Corrisponde alla formula di Planck per la radiazione di equilibrio con una temperatura di 2,7 K. In fig. 21 mostra l'intero spettro della radiazione elettromagnetica nello spazio, dalle onde radio del metro alla radiazione ultravioletta * .

* (Naturalmente, questo è lo spettro della radiazione che esiste in media nell'Universo lontano dalle stelle e da altre fonti.)

Alle lunghezze d'onda del metro si irradiano le cosiddette radiogalassie, di cui si è parlato nel § 3 del cap. 1. Hanno potenti campi magnetici ed elettroni energetici. Il movimento degli elettroni nei campi magnetici provoca emissioni radio. Nella regione visibile irradiano le stelle; nella regione dell'infrarosso brilla probabilmente soprattutto la polvere riscaldata dalla luce stellare. Sono possibili anche altre fonti di radiazioni infrarosse. Tra queste due regioni, le onde radio e la luce visibile (e le sorgenti infrarosse), si trova la regione dello spettro in cui domina la CMB.

È interessante notare che gli astronomi scoprirono la prima manifestazione del fondo cosmico a microonde nel 1941. Fu allora che l'astrofisico McKellar notò che i radicali di cianuro si osservano nel gas interstellare in uno stato rotazionale eccitato corrispondente a una temperatura di eccitazione di circa 2,3 K. Ciò che eccita le molecole allora non era chiaro. Dopo la scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde, IS Shklovsky e indipendentemente Field, Wulff, Tadeusz e altri scienziati lo spiegarono con l'eccitazione delle molecole mediante la radiazione cosmica di fondo a microonde. L'osservazione delle corrispondenti linee molecolari nello spettro CN ha aiutato a calcolare la temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde λ ≈ 0,26 cm.

Se misuriamo alla stessa lunghezza d'onda l'intensità della radiazione della reliquia che ci arriva da direzioni diverse, allora nell'ambito della precisione della misurazione risulta essere la stessa. La precisione della misurazione è di decimi di punto percentuale. Questa circostanza è una prova importante che l'espansione dell'Universo è isotropa non solo adesso, ma anche in un lontano passato, quando la densità della materia era migliaia di volte maggiore di oggi. Dopotutto, l'Universo è ora praticamente trasparente alla radiazione relitta, che ci arriva da grandi distanze. Ne parleremo più in dettaglio nella Sezione 8 del Cap. 3. Solo nelle primissime fasi dell'espansione esiste la possibilità che l'universo disobbedisca alla teoria di Friedmann!

La radiazione relitta non ha avuto origine da alcuna fonte come la luce delle stelle o le onde radio nate nelle radiogalassie. La radiazione CMB esiste fin dall'inizio dell'espansione dell'Universo. Era in quella materia calda dell'Universo, che si stava espandendo dalla singolarità.

Se calcoliamo la quantità totale di densità di energia contenuta oggi nella CMB, allora sarà 30 volte maggiore della densità di energia della radiazione proveniente da stelle, radiogalassie e altre fonti messe insieme. Puoi contare il numero di fotoni CMB in ogni centimetro cubo dell'Universo. Risulta che la concentrazione di questi fotoni:

Ricordiamo che la densità media della materia ordinaria nell'Universo è di circa 10 -30 (g/cm 3) (vedi Cap. 1). Ciò significa che se "spargessimo" tutta la materia in modo uniforme nello spazio, in un metro cubo ci sarebbe solo 1 atomo (ricordiamo che la massa di un atomo di idrogeno, l'elemento più comune dell'Universo, è di circa 10 -24 g ). Allo stesso tempo, un metro cubo contiene circa un miliardo di fotoni di radiazione relitta.

Pertanto, i quanti delle onde elettromagnetiche, queste particolari particelle, sono molto più comuni in natura della materia ordinaria. Nel § 2 cap. 3 si diceva che il rapporto tra il numero di quanti di onde elettromagnetiche e il numero di particelle pesanti caratterizza l'entropia dell'Universo. Nel nostro caso, questo rapporto è *

* (Si noti che il numero di fotoni per unità di volume è ben noto dalle misurazioni, ma la densità della materia ordinaria, come abbiamo visto nel Cap. 1 è molto meno conosciuto. Pertanto, il rapporto (6) può variare numericamente a seconda dell'affinamento della densità della sostanza, quindi, se questa densità è uguale a ρ crit, allora S = 10 8 .)

Pertanto, l’entropia dell’universo è enorme. La relazione (6), come abbiamo detto, praticamente non cambia durante l'evoluzione dell'Universo.

La scoperta della radiazione relitta è un risultato grandioso della scienza moderna. Ci permette di dire che nelle prime fasi dell'espansione l'Universo era caldo. La previsione della radiazione relitta è stata fatta nell'ambito della teoria dell'Universo in espansione, quindi la sua scoperta mostra ancora una volta la correttezza e la fecondità per la cosmologia del percorso indicato dalle opere di A. A. Fridman.