Kas ir relikts starojums? Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma temperatūras izmaiņas laika gaitā Tika apstiprināta kosmiskā mikroviļņu fona starojuma eksperimentālā noteikšana.

Viens no interesantākajiem atklājumiem saistībā ar elektromagnētisko spektru ir kosmiskais fona starojums. Tas tika atklāts nejauši, lai gan tā pastāvēšanas iespēja tika prognozēta.

Relikvijas starojuma atklāšanas vēsture

Relikvijas starojuma atklāšanas vēsture sākās 1964. gadā. Amerikāņu laboratorijas darbinieki Zvana tālrunis izstrādāja sakaru sistēmu, izmantojot mākslīgo Zemes pavadoni. Šai sistēmai bija paredzēts darboties uz viļņiem, kuru garums bija 7,5 centimetri. Šādiem īsviļņiem ir dažas priekšrocības attiecībā pret satelītu radio sakariem, bet Arno Penzias Un Roberts Vilsons neviens šo problēmu neatrisināja. Viņi bija pionieri šajā jomā, un viņiem bija jānodrošina, lai tajā pašā viļņa garumā nebūtu spēcīgu traucējumu vai lai telekomunikāciju darbinieki par šādiem traucējumiem zinātu iepriekš. Tajā laikā tika uzskatīts, ka radioviļņu avots, kas nāk no kosmosa, var būt tikai punktveida objekti, piemēram radio galaktikas vai zvaigznes. Radioviļņu avoti. Zinātnieku rīcībā bija ārkārtīgi precīzs uztvērējs un rotējoša raga antena. Ar viņu palīdzību zinātnieki varēja klausīties visu debess klājumu tāpat kā ārsts klausās pacienta krūtīs ar stetoskopu.

Dabiskā avota signāls

Un, tiklīdz antena bija vērsta uz kādu no punktiem debesīs, osciloskopa ekrānā dejoja izliekta līnija. Tipiski dabiska avota signāls. Ekspertus, iespējams, pārsteidza viņu veiksme: pašā pirmajā izmērītajā punktā bija radio emisijas avots! Bet neatkarīgi no tā, kur viņi norādīja savu antenu, efekts palika nemainīgs. Zinātnieki atkal un atkal pārbaudīja aprīkojumu, taču tas bija pilnīgā kārtībā. Un beidzot viņi saprata, ka ir atklājuši iepriekš nezināmu dabas parādību: viss Visums šķita piepildīts ar centimetru gariem radioviļņiem. Ja mēs varētu redzēt radioviļņus, debess debesis mums parādītos kvēlot no malas līdz malai.
Visuma radioviļņi. Penzijas un Vilsona atklājums tika publicēts. Un ne tikai viņi, bet arī daudzu citu valstu zinātnieki sāka meklēt noslēpumaino radioviļņu avotus, kurus uztver visas šim nolūkam pielāgotās antenas un uztvērēji, lai kur tie atrastos un uz kuru debess punktu tie būtu vērsti. , un radio emisijas intensitāte pie viļņa garuma 7,5 centimetri jebkurā punktā bija tieši tāda pati, šķita, ka tā vienmērīgi izkliedēta pa debesīm.

Zinātnieku aprēķinātais CMB starojums

Padomju zinātnieki A. G. Doroškevičs un I. D. Novikovs, kuri prognozēja Kosmiskais mikroviļņu fona starojums pirms tas atveras, veica sarežģītus aprēķinus. Viņi ņēma vērā visus mūsu Visumā pieejamos starojuma avotus un ņēma vērā, kā laika gaitā mainījās noteiktu objektu starojums. Un izrādījās, ka centimetru viļņu reģionā visi šie starojumi ir minimāli, un tāpēc tie nekādā veidā nav atbildīgi par atklāto debess spīdumu. Tikmēr turpmākie aprēķini parādīja, ka izsmērētā starojuma blīvums ir ļoti augsts. Šeit ir fotonu želejas (kā zinātnieki sauca par noslēpumaino starojumu) salīdzinājums ar visu Visuma matērijas masu. Ja visa visu redzamo galaktiku matērija ir vienmērīgi “izsmērēta” pa visu Visuma telpu, tad uz trim kubikmetriem telpas būs tikai viens ūdeņraža atoms (vienkāršības labad visu zvaigžņu matēriju uzskatīsim par ūdeņradi) . Un tajā pašā laikā katrs reālās telpas kubikcentimetrs satur apmēram 500 fotonu starojuma. Diezgan daudz, pat ja salīdzinām nevis vielas un starojuma vienību skaitu, bet tieši to masas. No kurienes nāca tik intensīvs starojums? Savulaik padomju zinātnieks A. A. Frīdmens, risinot slavenos Einšteina vienādojumus, atklāja, ka mūsu Visums pastāvīgi paplašinās. Drīz vien tika atrasts apstiprinājums tam. Amerikānis E. Habls atklāja galaktikas lejupslīdes fenomens. Ekstrapolējot šo parādību pagātnē, mēs varam aprēķināt brīdi, kad visa Visuma matērija atradās ļoti mazā tilpumā un tās blīvums bija nesalīdzināmi lielāks nekā tagad. Visuma izplešanās laikā katra kvanta viļņa garums palielinās proporcionāli Visuma izplešanās gaitai; šajā gadījumā šķiet, ka kvants “atdziest” - galu galā, jo īsāks ir kvanta viļņa garums, jo tas ir “karstāks”. Šodienas centimetru mēroga starojuma spilgtuma temperatūra ir aptuveni 3 grādi pēc absolūtā Kelvina. Un pirms desmit miljardiem gadu, kad Visums bija nesalīdzināmi mazāks un tā matērijas blīvums bija ļoti augsts, šo kvantu temperatūra bija aptuveni 10 miljardi grādu. Kopš tā laika mūsu Visums ir "aprakts" ar nepārtraukti dzesēšanas starojuma kvantiem. Tāpēc visā Visumā “izsmērēto” centimetru radio emisiju sauc par kosmisko mikroviļņu fona starojumu. Relikvijas, kā zināms, ir senāko dzīvnieku un augu atlieku nosaukumi, kas saglabājušies līdz mūsdienām. Centimetru starojuma kvanti noteikti ir vissenākā no visām iespējamām relikvijām. Galu galā to veidošanās aizsākās laikmetā, kas atrodas aptuveni 15 miljardu gadu attālumā no mums.

Zināšanas par Visumu radīja kosmisko mikroviļņu fona starojumu

Gandrīz neko nevar pateikt par to, kāda bija matērija nulles brīdī, kad tās blīvums bija bezgala liels. Bet parādības un procesi, kas notika laikā Visums, tikai sekundi pēc viņas dzimšanas un pat agrāk, līdz 10–8 sekundēm, zinātnieki jau diezgan labi iztēlojas. Informācija par to tika sniegta precīzi Kosmiskais mikroviļņu fona starojums. Tātad kopš nulles brīža ir pagājusi sekunde. Mūsu Visuma matērijai bija 10 miljardu grādu temperatūra, un tā sastāvēja no sava veida “putras” relikvijas kvanti, elektrodi, pozitroni, neitrīno un antineitroni . “Putras” blīvums bija milzīgs - vairāk nekā tonna uz kubikcentimetru. Šādos “pārpildītos apstākļos” nepārtraukti notika neitronu un pozitronu sadursmes ar elektroniem, protoni pārvērtās neitronos un otrādi. Bet visvairāk šeit bija kvantu - 100 miljonus reižu vairāk nekā neitronu un protonu. Protams, pie šāda blīvuma un temperatūras nekādi sarežģīti matērijas kodoli nevarēja pastāvēt: tie šeit nesabruka. Pagāja simts sekundes. Visuma izplešanās turpinājās, tā blīvums nepārtraukti samazinājās un temperatūra pazeminājās. Pozitroni gandrīz pazuda, neitroni pārvērtās protonos. Sākās ūdeņraža un hēlija atomu kodolu veidošanās. Zinātnieku veiktie aprēķini liecina, ka 30 procenti neitronu apvienojās, veidojot hēlija kodolus, bet 70 procenti no tiem palika atsevišķi un kļuva par ūdeņraža kodoliem. Šo reakciju gaitā parādījās jauni kvanti, taču to skaitu vairs nevarēja salīdzināt ar sākotnējo, tāpēc varam pieņemt, ka tas nemaz nemainījās. Visuma paplašināšanās turpinājās. Dabas sākumā tik strauji brūvētās “putras” blīvums samazinājās proporcionāli lineārā attāluma kubam. Pagāja gadi, gadsimti, tūkstošgades. Ir pagājuši 3 miljoni gadu. “Putras” temperatūra uz šo brīdi bija noslīdējusi līdz 3-4 tūkstošiem grādu, arī matērijas blīvums tuvojās šodien zināmajam, bet vielas kluči, no kuriem varētu veidoties zvaigznes un galaktikas, vēl nevarēja rasties. Radiācijas spiediens tajā laikā bija pārāk liels, atgrūzdams jebkuru šādu veidojumu. Pat hēlija un ūdeņraža atomi palika jonizēti: elektroni pastāvēja atsevišķi, protoni un atomu kodoli arī pastāvēja atsevišķi. Tikai trīs miljonu gadu perioda beigās atvēsinošajā “putrā” sāka parādīties pirmie kondensāti. Sākumā viņu bija ļoti maz. Tiklīdz viena tūkstošā daļa no “putras” sablīvējās savdabīgās protozvaigznēs, šie veidojumi sāka “degt” līdzīgi kā mūsdienu zvaigznes. Un to izstarotie fotoni un enerģijas kvanti uzsildīja atdzist sākušo “putru” līdz temperatūrai, kurā jaunu kondensāciju veidošanās atkal izrādījās neiespējama. Protozvaigzņu uzliesmojuma “putras” dzesēšanas un uzsildīšanas periodi mainījās, aizstājot viens otru. Un kādā Visuma izplešanās posmā jaunu kondensāciju veidošanās kļuva gandrīz neiespējama, jo kādreiz tik biezā “putra” bija kļuvusi pārāk “sašķidrināta”. Aptuveni 5 procentiem matērijas izdevās apvienoties, un 95 procenti bija izkaisīti izplešanās Visuma telpā. Tā “izkliedējās” kādreiz karstie kvanti, kas veidoja relikto starojumu. Tādā veidā tika izkliedēti ūdeņraža un hēlija atomu kodoli, kas bija daļa no “putras”.

Hipotēze par Visuma veidošanos

Lūk, viens no tiem: lielākā daļa matērijas mūsu Visumā neatrodas planētu, zvaigžņu un galaktiku sastāvā, bet veido starpgalaktisko gāzi – 70 procentus ūdeņraža un 30 procentus hēlija, vienu ūdeņraža atomu uz kubikmetru telpas. Tad Visuma attīstība pārgāja protozvaigžņu stadiju un nonāca matērijas stadijā, kas mums ir parasta, parastās spirālveida galaktikas, parastās zvaigznes, no kurām pazīstamākā ir mūsējā. Ap dažām no šīm zvaigznēm izveidojās planētu sistēmas, un uz vismaz vienas no šīm planētām radās dzīvība, kas evolūcijas gaitā radīja intelektu. Zinātnieki vēl nezina, cik bieži kosmosa plašumos tiek atrastas zvaigznes, kuras ieskauj planētu loks. Viņi neko nevar pateikt par to, cik bieži.
Apaļā planētu deja. Un jautājums par to, cik bieži dzīvības augs uzplaukst sulīgā saprāta ziedā, paliek atklāts. Mūsdienās mums zināmās hipotēzes, kas interpretē visus šos jautājumus, ir vairāk kā nepamatoti minējumi. Taču šodien zinātne attīstās kā lavīna. Pavisam nesen zinātniekiem nebija ne jausmas, kā sākās mūsējais. Relikts starojums, kas atklāts apmēram pirms 70 gadiem, ļāva uzzīmēt šo attēlu. Mūsdienās cilvēcei trūkst faktu, uz kuru pamata tā varētu atbildēt uz iepriekš formulētajiem jautājumiem. Iekļūšana kosmosā, Mēness un citu planētu apmeklējumi sniedz jaunus faktus. Un faktiem vairs neseko hipotēzes, bet strikti secinājumi.

CMB starojums norāda uz Visuma viendabīgumu

Ko vēl zinātniekiem stāstīja relikvijas stari, šie mūsu Visuma dzimšanas liecinieki? A. A. Frīdmens atrisināja vienu no Einšteina dotajiem vienādojumiem un uz šī risinājuma pamata atklāja Visuma izplešanos. Lai atrisinātu Einšteina vienādojumus, bija nepieciešams uzstādīt tā sauktos sākuma nosacījumus. Frīdmens balstījās uz pieņēmumu, ka Visums ir viendabīgs un izotropisks, kas nozīmē, ka tajā esošā viela ir vienmērīgi sadalīta. Un 5-10 gadu laikā, kas pagājuši kopš Frīdmena atklājuma, jautājums par to, vai šis pieņēmums bija pareizs, palika atklāts. Tagad tas būtībā ir noņemts. Par Visuma izotropiju liecina reliktās radio emisijas pārsteidzošā viendabība. Otrs fakts norāda uz to pašu – Visuma matērijas sadalījumu starp Galaktikām un starpgalaktiku gāzi.
Galu galā starpgalaktiskā gāze, kas veido lielāko daļu no Visuma matērijas, ir sadalīta tajā tikpat vienmērīgi kā relikvijas kvanti. Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma atklāšana ļauj ielūkoties ne tikai ļoti tālā pagātnē – aiz laika robežām, kad nebija ne mūsu Zemes, ne Saules, ne mūsu Galaktikas, ne pat paša Visuma. Tāpat kā pārsteidzošs teleskops, ko var vērst jebkurā virzienā, CMB atklāšana ļauj mums ieskatīties īpaši tālā nākotnē. Tik ļoti tālu, kad nebūs ne Zemes, ne Saules, ne galaktikas. Šeit palīdzēs Visuma izplešanās fenomens, kā to veidojošās zvaigznes, galaktikas, putekļu un gāzu mākoņi izkliedējas kosmosā. Vai šis process ir mūžīgs? Vai arī paplašināšanās palēnināsies, apstāsies un pēc tam dos ceļu saspiešanai? Un vai Visuma secīgā saspiešana un izplešanās nav sava veida matērijas pulsācija, neiznīcināma un mūžīga? Atbilde uz šiem jautājumiem galvenokārt ir atkarīga no tā, cik daudz matērijas atrodas Visumā. Ja tā kopējā gravitācija ir pietiekama, lai pārvarētu izplešanās inerci, tad izplešanās neizbēgami dos vietu saspiešanai, kurā galaktikas pakāpeniski tuvosies viena otrai. Nu, ja ar gravitācijas spēkiem nepietiek, lai palēninātu un pārvarētu izplešanās inerci, mūsu Visums ir lemts: tas izkliedēsies kosmosā! Visa mūsu Visuma turpmākais liktenis! Vai ir kāda lielāka problēma? Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izpēte deva zinātnei iespēju to izvirzīt. Un iespējams, ka turpmākie pētījumi to atrisinās.

Neskatoties uz mūsdienu instrumentu izmantošanu un jaunākajām metodēm Visuma pētīšanai, jautājums par tā izskatu joprojām ir atklāts. Tas nav pārsteidzoši, ņemot vērā tā vecumu: saskaņā ar jaunākajiem datiem tas ir no 14 līdz 15 miljardiem gadu. Ir acīmredzams, ka kopš tā laika ir bijis ļoti maz pierādījumu par kādreiz grandiozajiem Universālā mēroga procesiem. Tāpēc neviens neuzdrošinās neko apgalvot, aprobežojoties ar hipotēzēm. Taču viens no viņiem nesen saņēmis ļoti būtisku argumentu - reliktu starojumu.

1964. gadā divi labi pazīstamas laboratorijas darbinieki, veicot satelīta Echo radio novērošanu, kuriem bija pieeja atbilstošai īpaši jutīgai iekārtai, nolēma pārbaudīt dažas no savām teorijām par noteiktu kosmosa objektu pašu radio emisiju.

Lai filtrētu iespējamos traucējumus no zemes avotiem, tika nolemts izmantot 7,35 cm Taču pēc antenas ieslēgšanas un noregulēšanas tika fiksēta dīvaina parādība: visā darbības laikā tika fiksēts zināms troksnis, nemainīga fona komponente. Visums. Tas nebija atkarīgs no Zemes stāvokļa attiecībā pret citām planētām, kas nekavējoties izslēdza pieņēmumu par radio traucējumiem no šīm vai diennakts laika. Ne R. Vilsons, ne A. Penziass pat nenojauta, ka ir atklājuši Visuma kosmisko mikroviļņu fona starojumu.

Tā kā neviens no viņiem to nepieņēma, “fonu” attiecinot uz iekārtu īpatnībām (pietiek atcerēties, ka izmantotā mikroviļņu antena tobrīd bija visjutīgākā), pagāja gandrīz vesels gads, līdz kļuva skaidrs, ka ierakstītais troksnis. bija daļa no paša Visuma. Atklātā radiosignāla intensitāte izrādījās gandrīz identiska starojuma intensitātei ar temperatūru 3 Kelvini (1 Kelvins ir vienāds ar -273 grādiem pēc Celsija). Salīdzinājumam, nulle Kelvina atbilst objekta temperatūrai, kas izgatavota no nekustīgiem atomiem. svārstās no 500 MHz līdz 500 GHz.

Šajā laikā divi teorētiķi no Prinstonas universitātes - R. Diks un D. Pibls, pamatojoties uz jauniem Visuma attīstības modeļiem, matemātiski aprēķināja, ka šādam starojumam vajadzētu pastāvēt un caurstrāvot visu telpu. Lieki piebilst, ka Penziass, kurš nejauši uzzināja par lekcijām par šo tēmu, sazinājās ar universitāti un ziņoja, ka ir reģistrēts kosmiskais mikroviļņu fona starojums.

Balstoties uz Lielā sprādziena teoriju, visa matērija radās kolosāla sprādziena rezultātā. Pirmos 300 tūkstošus gadu pēc tam kosmoss bija elementārdaļiņu un starojuma kombinācija. Pēc tam izplešanās dēļ temperatūra sāka kristies, kas ļāva parādīties atomiem. Atklātais relikts starojums ir šo tālo laiku atbalss. Kamēr Visumam bija robežas, daļiņu blīvums bija tik liels, ka starojums bija “saistīts”, jo daļiņu masa atspoguļoja jebkāda veida viļņus, neļaujot tiem izplatīties. Un tikai pēc tam, kad sākās atomu veidošanās, telpa kļuva “caurspīdīga” viļņiem. Tiek uzskatīts, ka šādi parādījās kosmiskais mikroviļņu fona starojums. Šobrīd katrā telpas kubikcentimetrā ir aptuveni 500 sākotnējo kvantu, lai gan to enerģija ir samazinājusies gandrīz 100 reizes.

CMB starojumam dažādās Visuma daļās ir atšķirīga temperatūra. Tas ir saistīts ar primārās matērijas atrašanās vietu izplešanās Visumā. Ja nākotnes matērijas atomu blīvums bija lielāks, radiācijas daļa un līdz ar to arī temperatūra tika samazināta. Tieši šajos virzienos vēlāk veidojās lieli objekti (galaktikas un to kopas).

Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izpēte paceļ nenoteiktības plīvuru pār daudziem procesiem, kas notiek laika sākumā.

CMB starojums ir fona mikroviļņu starojums, kas ir vienāds visos virzienos un kura spektrs ir raksturīgs melnam ķermenim ~ 2,7 K temperatūrā.

Tiek uzskatīts, ka no šī starojuma var uzzināt atbildi uz jautājumu: no kurienes tas radies? Faktiski kosmiskais mikroviļņu fona starojums ir tas, kas palicis no “Visuma uzbūves”, kad tas sāka parādīties pēc blīvas karstas plazmas izplešanās. Lai būtu vieglāk saprast, kas ir kosmiskais mikroviļņu fona starojums, salīdzināsim to ar cilvēka darbības paliekām. Piemēram, cilvēks kaut ko izdomā, citi pērk, izmanto un izmet atkritumus. Tātad atkritumi (pats cilvēka dzīves rezultāts) ir kosmiskā mikroviļņu fona starojuma analogs. No atkritumiem var uzzināt visu – kur cilvēks atradās noteiktā laika periodā, ko ēda, ko bija ģērbies un pat par ko runāja. Arī kosmiskais mikroviļņu fona starojums. Pamatojoties uz tā īpašībām, zinātnieki mēģina izveidot priekšstatu par lielā sprādziena brīdi, kas var sniegt atbildi uz jautājumu: kā radās Visums? Bet tomēr enerģijas nezūdamības likumi rada zināmas domstarpības par Visuma izcelsmi, jo nekas nenāk no nekurienes un nekur nenonāk. Mūsu Visuma dinamika ir pārejas, īpašību un stāvokļu izmaiņas. To var novērot pat uz mūsu planētas. Piemēram, lodveida zibens parādās ūdens daļiņu mākonī?! Kā? Kā tas var būt? Neviens nevar izskaidrot noteiktu likumu izcelsmi. Ir tikai šo likumu atklāšanas brīži, tāpat kā kosmiskā mikroviļņu fona starojuma atklāšanas vēsture.

Vēstures fakti par kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izpēti

CMB pirmo reizi pieminēja Georgijs Antonovičs Gamovs (Džordžs Gamovs), kad viņš mēģināja izskaidrot lielā sprādziena teoriju. Viņš pieņēma, ka kāds atlikušais starojums piepilda visu laiku, kas izplešas. 1941. gadā, pētot vienas no Ophiuchus klastera zvaigznēm absorbciju, Endrjū Makkelārs pamanīja gaismas spektrālās absorbcijas līnijas, kas atbilda 2,7 K temperatūrai. 1948. gadā Džordžs Gamovs, Ralfs Alferts un Roberts Hermans noteica zvaigznes temperatūru. kosmiskā mikroviļņu fona starojums pie 5 K. Vēlāk Džordžs Gamovs ieteica temperatūru, kas ir zemāka par zināmo 3 K. Taču tas bija tikai virspusējs šī fakta pētījums, kas tolaik nevienam nebija zināms. 60. gadu sākumā Roberts Diks un Jakovs Zeldovičs ieguva tādus pašus rezultātus kā Gamovs, reģistrējot viļņus, kuru starojuma intensitāte nebija atkarīga no laika. Zinātnieku zinātkārajiem prātiem bija jāizveido īpašs radioteleskops, lai precīzāk fiksētu kosmisko mikroviļņu fona starojumu. 80. gadu sākumā, attīstoties kosmosa industrijai, kosmisko mikroviļņu fona starojumu sāka rūpīgāk pētīt no kosmosa kuģa. Bija iespējams noteikt kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izotropijas īpašību (vienādas īpašības visos virzienos, piemēram, 5 soļi uz ziemeļiem 10 sekundēs un 5 soļi uz dienvidiem 10 sekundēs). Mūsdienās turpinās pētījumi par relikvijas izpētes īpašībām un tās rašanās vēsturi.

Kādas īpašības piemīt reliktajam starojumam?

CMB spektrs no datiem, kas iegūti, izmantojot FIRAS instrumentu uz COBE satelīta

Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma spektrs ir 2,75 kelvini, kas ir līdzīgs kvēpiem, kas atdzesēti līdz šai temperatūrai. Šāda viela vienmēr absorbē uz tās krītošo starojumu (gaismu), neatkarīgi no tā, kā jūs to ietekmējat. Vai nu ielīmējiet to magnētiskajā spolē, iemetiet to kodolbumbā vai apspīdiniet to ar prožektoru. Šāds ķermenis arī izstaro maz starojuma. Bet tas tikai pierāda faktu, ka nekas nav absolūts. Jūs vienmēr varat bezgalīgi izsecināt ideālu likumu, sasniegt kaut kā noteiktas īpašības maksimumu, bet neliela inerce vienmēr paliks.

Interesanti fakti, kas saistīti ar kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izpēti

Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma maksimālā frekvence tika reģistrēta 160,4 GHz, kas ir vienāda ar 1,9 mm vilni. Un šāda starojuma blīvums ir 400-500 fotoni uz cm 3. CMB starojums ir vecākais, senākais starojums, ko vispār var novērot Visumā. Katrai daļiņai bija nepieciešami 400 000 gadu, lai sasniegtu Zemi. Nevis kilometri, bet gadi! Saskaņā ar satelīta novērojumiem un matemātiskiem aprēķiniem kosmiskais mikroviļņu fona starojums, šķiet, stāv uz vietas, un visas galaktikas un zvaigznāji pārvietojas attiecībā pret to ar milzīgu ātrumu, kas ir simtiem kilometru sekundē. Tas ir tāpat kā pa logu vērot braucošu vilcienu. Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma temperatūra zvaigznāja virzienā ir par 0,1% augstāka, pretējā virzienā tā ir par 0,1% zemāka. Tas izskaidro Saules kustību uz šo zvaigznāju attiecībā pret relikto fonu.

Ko mums sniedz kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izpēte?

Agrīnais Visums bija auksts, ļoti auksts. Kāpēc Visums bija tik auksts, un kas notika, kad sākās Visuma paplašināšanās? Var pieņemt, ka lielā sprādziena dēļ ārpus Visuma izdalījās milzīgs daudzums enerģijas kamolu, pēc tam Visums atdzisa, gandrīz sastinga, bet ar laiku enerģija atkal sāka pulcēties puduros, un notika zināma reakcija. radās, kas aizsāka Visuma paplašināšanās procesu. Tad no kurienes nāk tumšā viela un vai tā mijiedarbojas ar kosmisko mikroviļņu fona starojumu? Iespējams, ka kosmiskais mikroviļņu fona starojums ir tumšās vielas sadalīšanās rezultāts, kas ir loģiskāk nekā lielā sprādziena atlikušais starojums. Tā kā tumšā enerģija var būt antimatērija un tumšās matērijas daļiņas, saduroties ar matērijas daļiņām, materiālajā un antimateriālajā pasaulē veidojas starojums, līdzīgi kā relikts starojums. Mūsdienās šī ir jaunākā, neizpētītā zinātnes joma, kurā var gūt panākumus un iespiesties zinātnes un sabiedrības vēsturē.

Ko norāda "relikts" starojums?

Kosmisko fona starojumu sauc par fona kosmisko starojumu, kura spektrs atbilst pilnīgi melna ķermeņa spektram, kura temperatūra ir aptuveni 3 grādi pēc Kelvina. Šis starojums tiek novērots viļņu garumā no vairākiem milimetriem līdz desmitiem centimetru; tas ir praktiski izotropisks. Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma atklāšana bija izšķirošs apstiprinājums karstā Visuma teorijai, saskaņā ar kuru agrāk Visumā bija daudz lielāks vielas blīvums un ļoti augsta temperatūra nekā tagad. Mūsdienās reģistrētais relikts starojums ir informācija par seniem notikumiem, kad Visuma vecums bija tikai 300–500 tūkstoši gadu un blīvums bija aptuveni 1000 atomi uz kubikcentimetru. Toreiz pirmatnējā Visuma temperatūra noslīdēja līdz aptuveni 3000 Kelvina grādiem, elementārdaļiņas veidoja ūdeņraža un hēlija atomus, un pēkšņa brīvo elektronu izzušana noveda pie starojuma, ko šodien saucam par kosmisko mikroviļņu fonu.

Pirmie teorētiskie aprēķini par paredzamo kosmiskā mikroviļņu fona starojuma temperatūru ir ietverti Gamova un Alfera darbos, kas veikti 50. gados. Viņi norādīja skaitli aptuveni 5 K. Vai šo starojumu var novērot uz zvaigžņu un radiogalaktiku elektromagnētiskā starojuma fona? Padomju astrofiziķa A. G. Doroškeviča un autora darbā 1964. gadā pirmo reizi tika īpaši aprēķināts, cik daudz kosmiskā mikroviļņu fona starojuma intensitātei (ja tāda pastāv, protams) jāpārsniedz spektra centimetru apgabalā. starojuma intensitāte no radio galaktikām un citiem avotiem. Noskaidrojās iespēja izveidot izšķirošu eksperimentu kosmiskā mikroviļņu fona starojuma meklēšanai, no kura bija atkarīga izvēle starp karsto un auksto Visuma modeli. Bet šo teorētisko darbu novērotāji nepamanīja.

CMB pavisam nejauši 1965. gadā atklāja amerikāņu kompānijas Bell, Penzias un Wilson darbinieki, atkļūdojot signāla radio antenu, kas izveidota satelīta Echo novērošanai. Viņi atklāja vāju fona radio troksni, kas nāk no kosmosa neatkarīgi no antenas virziena. Diks, Pībls, Rols un Vilkinsons nekavējoties sniedza kosmoloģisku skaidrojumu Penzijas un Vilsona mērījumiem, kas liecina par karsto Visuma modeli. Šajā laikā Diks un viņa līdzstrādnieki paši gatavoja aprīkojumu, lai meklētu radiofonu no kosmiskā mikroviļņu fona starojuma 3. viļņa garumā. cm. Pirmie Penziasa un Vilsona novērojumi tika veikti pie viļņa garuma 7,35 cm. Viņi parādīja, ka starojuma temperatūra ir aptuveni 3 ° absolūtais Kelvins. Turpmākajos gados tika veikti daudzi mērījumi dažādos viļņu garumos no desmitiem centimetru līdz milimetra daļām.

Novērojumi parādīja, ka starojuma spektrs ir līdzsvarā, kā to paredz karstā Visuma teorija. Tas atbilst Planka formulai līdzsvara starojumam ar temperatūru 2,7 K. Attēlā. 21 parāda visu elektromagnētiskā starojuma spektru kosmosā no metru radioviļņiem līdz ultravioletajam starojumam *.

* (Protams, tas ir starojuma spektrs, kas vidēji pastāv Visumā tālu no zvaigznēm un citiem avotiem.)

Tā sauktās radio galaktikas, par kurām tika runāts 3. nodaļā, izstaro metru viļņus. 1. Viņiem ir spēcīgi magnētiskie lauki un enerģētiski elektroni. Elektronu kustība magnētiskajos laukos izraisa radio emisiju. Redzamās gaismas apgabalā zvaigznes izstaro gaismu, infrasarkanajā zonā, visticamāk, spīd galvenokārt putekļi, ko sakarsusi zvaigžņu gaisma. Ir iespējami arī citi infrasarkanā starojuma avoti. Starp šiem diviem reģioniem, radioviļņiem un redzamo gaismu (un infrasarkanajiem avotiem), ir spektra apgabals, kurā dominē kosmiskais mikroviļņu fona starojums.

Interesanti atzīmēt, ka astronomi atklāja pirmo kosmiskā mikroviļņu fona starojuma izpausmi tālajā 1941. gadā. Toreiz astrofiziķis Makkelārs atzīmēja, ka starpzvaigžņu gāzē tika novēroti cianogēna radikāļi ierosinātā rotācijas stāvoklī, kas atbilst ierosmes temperatūrai aptuveni 2,3 K. Kas uzbudina molekulas, tad palika neskaidrs. Pēc kosmiskā mikroviļņu fona starojuma atklāšanas I. S. Šklovskis un neatkarīgi Fīlds, Vulfs, Tadeušs un citi zinātnieki to skaidroja ar molekulu ierosmi ar kosmisko mikroviļņu fona starojumu. Atbilstošo molekulāro līniju novērošana CN spektrā palīdzēja aprēķināt CMB starojuma temperatūru pie viļņa garuma λ ≈ 0,26 cm.

Ja pie viena viļņa garuma mēra kosmiskā mikroviļņu fona starojuma intensitāti, kas pie mums nāk no dažādiem virzieniem, tad mērījumu precizitātes robežās tas izrādās vienāds. Mērījumu precizitāte ir procenta desmitdaļas. Šis apstāklis ​​ir nozīmīgs pierādījums tam, ka Visuma izotropā izplešanās notiek ne tikai tagad, bet arī tālā pagātnē, kad matērijas blīvums bija tūkstošiem reižu lielāks nekā mūsdienās. Galu galā Visums tagad ir praktiski caurspīdīgs kosmiskajam mikroviļņu fona starojumam, un tas nonāk pie mums no lieliem attālumiem. Par to sīkāk runāsim 8. nodaļā. 3. Tikai ļoti agrīnās izplešanās stadijās paliek iespēja Visumam nepakļauties Frīdmena teorijai!

CMB starojums nav radies nevienā avotā, piemēram, zvaigžņu gaismā vai radio viļņos, kas radušies radio galaktikās. CMB pastāv jau kopš Visuma paplašināšanās sākuma. Tas bija tajā karstajā Visuma matērijā, kas izpletās no singularitātes.

Ja mēs aprēķinām kopējo enerģijas blīvuma daudzumu, ko šodien satur kosmiskais mikroviļņu fona starojums, tas būs 30 reizes lielāks nekā enerģijas blīvums starojumā no zvaigznēm, radio galaktikām un citiem avotiem kopā. Jūs varat saskaitīt kosmiskā mikroviļņu fona starojuma fotonu skaitu, kas atrodami katrā Visuma kubikcentimetrā. Izrādās, ka šo fotonu koncentrācija ir:

Atcerēsimies, ka parastās matērijas vidējais blīvums Visumā ir aptuveni 10 -30 (g / cm 3) (skat. 1. nodaļu). Tas nozīmē, ka, visu matēriju “izkliedējot” telpā vienmērīgi, tad vienā kubikmetrā būtu tikai 1 atoms (atgādinām, ka Visumā visizplatītākā elementa ūdeņraža atoma masa ir aptuveni 10 -24 g) . Tajā pašā laikā kubikmetrā ir aptuveni miljards fotonu kosmiskā mikroviļņu fona starojuma.

Tādējādi elektromagnētisko viļņu kvanti, šīs savdabīgās daļiņas, dabā ir daudz izplatītāki nekā parastā viela. 2. iedaļā. 3 tika teikts, ka elektromagnētisko viļņu kvantu skaita attiecība pret smago daļiņu skaitu raksturo Visuma entropiju. Mūsu gadījumā šī attiecība ir *

* (Ņemiet vērā, ka fotonu skaits tilpuma vienībā ir labi zināms no mērījumiem, bet parastās vielas blīvums, kā mēs redzējām nodaļā. 1 ir daudz mazāk pazīstams. Līdz ar to sakarība (6) var skaitliski mainīties atkarībā no vielas blīvuma precizējuma, līdz ar to, ja šis blīvums ir vienāds ar ρ crit, tad S = 10 8 .)

Tādējādi Visuma entropija ir milzīga. Koeficients (6), kā jau teicām, Visuma evolūcijas laikā praktiski nemainās.

Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma atklāšana ir milzīgs mūsdienu zinātnes sasniegums. Tas ļauj mums teikt, ka izplešanās sākumposmā Visums bija karsts. Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma pareģojums tika veikts izplešanās Visuma teorijas ietvaros, tāpēc tā atklāšana vēlreiz parāda A. A. Frīdmena darbos norādītā ceļa pareizību un auglību kosmoloģijai.