МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ


МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

(реликтовое излучение) - космич. излучение, имеющее спектр, характерный для абсолютно чёрного тела при темп-ре ок. 3 К; определяет интенсивность фонового излучения Вселенной в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Характеризуется высочайшей степенью изотропии (интенсивность практически одинакова во всех направлениях). Открытие M. ф. и. [А. Пензиас (A. Penzias), P. Вильсон (R. Wilson), 1965] подтвердило т. н. горячей Вселенной теорию, дало важнейшее эксперим. свидетельство в пользу представлений об изотропии расширения Вселенной и её однородности в больших масштабах (см. Космология).

Согласно теории горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность, чем ныне и чрезвычайно высокую темп-ру. При T> 108 К первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамич. равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной темп-pa плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения (оптическая толщина Вселенной по тормозному излучению к этому времени стала много меньше единицы). Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чернотельный спектр излучения остаётся чернотельным, уменьшается лишь его темп-pa. Пока темп-pa превышала 4000 К, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта событий во Вселенной. При T< 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия. Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения темп-pa излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт или "память" о раннем периоде эволюции мира. Это излучение было обнаружено сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).

Темп-pa M. ф. и. с точностью до 10% оказалась равной 2,7 К. Cp. энергия фотонов этого излучения крайне мала - в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов M. ф. и. очень велико. На каждый атом во Вселенной чриходится ~ 109 фотонов M. ф. и. (в ср. 400-500 фотонов/см 3).

Наряду с прямым методом определения темп-ры M. ф. и.- по кривой распределения энергии в спектре излучения ( см. Планка закон излучения)- существует также косвенный метод - по населённости ниж. уровней энергии молекул в межзвёздной среде. При поглощении фотона M. ф. и. молекула переходит из осн. состояния в возбуждённое. Чем выше темп-pa излучения, тем выше плотность фотонов с энергией, достаточной для возбуждения молекул, и тем большая их доля находится на возбуждённом уровне. По кол-ву возбуждённых молекул (населённости уровней) можно судить о темп-ре возбуждающего излучения. Так, наблюдения оптич. линий поглощения межзвёздного циана (CN) показывают, что его ниж. уровни энергии населены так, как будто молекулы CN находятся в поле трехградусного чернотельного излучения. Этот факт был установлен (но не понят в полной мере) ещё в 1941, задолго до обнаружения M. ф. и. прямыми наблюдениями.

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалак-тич. газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к M. ф. и.; суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников (рис. 1). Этим, а также практически полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угл. флуктуации) доказывается космологич. реликтовое происхождение M. ф. и.


Рис. 1. Спектр микроволнового фонового излучения Вселенной [интенсивность в эрг/(см 2*с*ср*Гц)]. Эксперим. точки нанесены с указанием погрешностей измерений. Точки CN, CH соответствуют результатам определения верхней границы (показана стрелкой) температуры излучения по населённости уровней соответствующих межзвёздных молекул.


3026-87.jpg


Флуктуации M. ф. и. Обнаружение небольших различий в интенсивности M. ф. и., принимаемого от разных участков небесной сферы, позволило бы сделать ряд выводов о характере первичных возмущений в веществе, приведших в дальнейшем к образованию галактик и скоплений галактик. Совр. галактики и их скопления образовались в результате роста незначительных по амплитуде неоднородностей плотности вещества, существовавших до рекомбинации водорода во Вселенной (см. Первичные флуктуации во Вселенной). Для любой космологич. модели можно найти закон роста амплитуды неоднородностей в ходе расширения Вселенной. Если знать, каковы были амплитуды неоднородности вещества в момент рекомбинации, можно установить, за какое время они могли вырасти и стать порядка единицы. После этого области с плотностью, значительно превышающей среднюю, должны были выделиться из общего расширяющегося фона и дать начало галактикам и их скоплениям (см. Крупномасштабная структура Вселенной)."Рассказать" об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь реликтовое излучение. Поскольку до рекомбинации излучение было жёстко связано с веществом (электроны рассеивали фотоны), то неоднородности в пространственном распределении вещества приводили к пеоднородностям плотности энергии излучения, т. е. к различию темп-ры излучения в разных по плотности областях Вселенной. Когда после рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, M. ф. и. должно было сохранить всю информацию о неоднородностях плотности во Вселенной в период рекомбинации. Если неоднородности существовали, то темп-pa M. ф. и. должна флуктуировать, зависеть от направления наблюдения. Однако эксперименты по обнаружению ожидаемых флуктуации пока не дали измеримых значений. Они позволяют показать лишь верх, пределы значений флуктуации. В малых угл. масштабах (от одной угл. минуты до шести градусов дуги) флуктуации не превышают 10-4 К. Поиски флуктуации M. ф. и. осложняются также тем, что вклад во флуктуации фона дают дискретные космич. радиоисточники, флуктуирует излучение атмосферы Земли и т. д. Эксперименты в больших у гл. масштабах также показали, что темп-ра M. ф. и. практически не зависит от направления наблюдения: отклонения не превышают 4*10-3 К. Полученные данные позволили снизить оценку степени анизотропии расширения Вселенной в 100 раз по сравнению с оценкой по данным прямых наблюдений "разбегающихся" галактик.

M. ф. и. как "новый эфир". M. ф. и. изотропно лишь в системе координат, связанной с "разбегающимися" галактиками, в т. н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой др. системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с M. ф. и. Действительно, в силу Доплера аффекта фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с M. ф. и., их энергии равны. Поэтому и темп-pa излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления: 3026-88.jpg где 3026-89.jpg- средняя по небу темп-pa излучения, 3026-90.jpg- скорость наблюдателя,3026-91.jpg- угол между вектором скорости и направлением наблюдения.


3026-92.jpg


Рис. 2. Распределение яркости микроволнового фонового излучения на небесной сфере. Цифры характеризуют отклонения от средней по всей сфере температуры микроволнового фона в мК.



Анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твёрдо установлена (рис. 2), она имеет дипольный характер; в направлении на созвездие Льва темп-pa M. ф. и. на 3,5*10-3 К превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно M. ф. и. со скоростью ок. 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно M. ф. и. Она составляет 3026-93.jpg км/с. В принципе, существует метод, позволяющий определить скорости богатых скоплений галактик относительно реликтового излучения (см. Скопления галактик).

Спектр M. ф. и. На рис. 1 приведены существующие эксперим. данные о M. ф. и. и планковская кривая распределения энергии в спектре равновесного излучения абсолютно чёрного тела с темп-рой 3026-94.jpg Эксперим. точки хорошо согласуются с теоретич. кривой, что служит веским подтверждением модели горячей Вселенной.

Отметим, что в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн измерения темп-ры M. ф. и. возможны с поверхности Земли. В миллиметровом и особенно в субмиллиметровом диапазонах излучение атмосферы препятствует наблюдениям M. ф. и., поэтому измерения проводятся широкополосными болометрами, установленными на воздушных шарах (баллонах) и ракетах. Ценные данные о спектре M. ф. и. в миллиметровой области получены из наблюдений линий поглощения молекул межзвёздной среды в спектрах горячих звёзд. Выяснилось, что осн. вклад в плотность энергии M. ф. и. даёт излучение с длиной волны 3026-95.jpgот 6 до 0,6 мм, темп-pa к-рого близка к 3 К. В этом диапазоне длин волн плотность энергии M. ф. и.3026-96.jpgэВ/см 3.

Один из экспериментов по определению флуктуации M. ф. и., его дипольной компоненты и верх, границы квадрупольного излучения был осуществлён на ИСЗ "Прогноз-9" (СССР, 1983). Угл. разрешение аппаратуры составляло ок. 3026-97.jpg Зарегистрированный тепловой контраст не превышал 3026-98.jpgК.

Многие из космологич. теорий и теорий образования галактик, к-рые рассматривают процессы аннигиляции. вещества и антивещества, диссипацию развитой турбулентности, крупномасштабных потенциальных движений, испарение первичных чёрных дыр малой массы, распад нестабильных элементарных частиц, предсказывают значит, энерговыделение на ранних стадиях расширения Вселенной. В то же время любое выделение энергии 3026-99.jpg на этапе, когда темп-ра M. ф. и. менялась от 3·108 К до 3 К, должно было заметно исказить его чернотельный спектр. T. о., спектр M. ф. и. несёт информацию о тепловой истории Вселенной. Более того, эта информация оказывается дифференцированной: выделение энергии на каждом из трёх этапов расширения 3026-100.jpg

3026-101.jpg вызывает специфич. искажение спектра. На первом этапе сильнее всего искажается спектр в ДВ-области, на втором и третьем - в коротковолновой. Свой вклад в искажение спектра в КВ-области вносит уже сам процесс рекомбинации. Фотоны, испускаемые при рекомбинации, обладают энергией ок. 10 эВ, что в десятки раз превышает ср. энергию фотонов равновесного излучения той эпохи (при 3026-102.jpg К). Таких энергичных фотонов крайне мало (3026-103.jpgот общего их числа). Поэтому рекомбинацион ное излучение, возникающее при образовании нейтральных атомов, должно было сильно исказить спектр M. ф. и. на волнах 3026-104.jpg

Ещё один нагрев вещество Вселенной могло испытать при образовании галактик. Спектр M. ф. <и. при этом также мог измениться, поскольку рассеяние реликтовых фотонов на горячих электронах увеличивает энергию фотонов (см. Комптона эффект). Особенно сильные изменения происходят в этом случае в КВ-области спектра. Одна из кривых, демонстрирующих возможное искажение спектра M. ф. и., приведена на рис. 1 (шриховая кривая). Имеющиеся изменения в спектре M. ф. и. показали, что вторичный разогрев вещества во Вселенной произошёл много позже рекомбинации.

фотона возрастает во много раз, и радиофотон превращается в фотон рентг. излучения, энергия же электрона меняется незначительно. Поскольку этот процесс повторяется многократно, электрон постепенно теряет всю энергию. Наблюдаемое со спутников и ракет рентг. фоновое излучение, по-видимому, частично обязано своим происхождением этому процессу.

Протоны и ядра сверхвысоких энергий также подвержены воздействию фотонов M. ф. и.: при столкновениях с ними ядра расщепляются, а соударения с протонами приводят к рождению новых частиц (электроп-позитронных пар, пионов и т. д.). В результате энергия протонов быстро уменьшается до пороговой, ниже к-рой рождение частиц становится невозможным но законам сохранения энергии и импульса. Именно с этими процессами связывают практич. отсутствие в космич. лучах частиц с энергией 3027-1.jpg а также малое кол-во тяжёлых ядер.

Лит.: Зельдович Я. Б., "Горячая модель" Вселенной, "УФН", 1966, т. 89, с. 647; Вайнберг С., Первые три минуты, пер. с англ., M., 1981. P. А. Сюняев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ" в других словарях:

  • Микроволновое фоновое излучение — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формировани …   Википедия

  • Космическое микроволновое фоновое излучение — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формировани …   Википедия

  • Излучение микроволновое фоновое — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формировани …   Википедия

  • ФОНОВОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — эл. магн. излучение Вселенной, не искажённое ближайшими источниками (атмосферой Земли, излучением Галактикой т. п.). Именно Ф. к. и. должны были бы воспринимать приборы с широким полем зрения, вынесенные в пространство между галактиками. К… …   Физическая энциклопедия

  • Реликтовое излучение — Космология Изучаемые объекты и процессы …   Википедия

  • РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — одна из составляющих общего фона косм. эл. магн. излучения. Р. и. равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно чёрного I тела при темп ре ок. 3 К, обнаружено амер. учёными А. Пензиасом и …   Физическая энциклопедия

  • РАДИОАСТРОНОМИЯ — раздел астрофизики, изучающий радиоизлучение астр. объектов. Р. зародилась в нач. 30 х гг., когда К. Янский (К. Jansky) исследовал влияние помех на радиотелефонную связь и обнаружил изменение уровня шумов приёмника, коррелирующее с периодом… …   Физическая энциклопедия

  • КОСМОЛОГИЯ — раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория… …   Энциклопедия Кольера

  • ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС — (парадокс Ольбер са, парадокс Шезо Ольберса) несоответствие наблюдениям оценки яркости ночного неба, вытекающей из гипотезы бесконечной статической однородной евклидовой Вселенной. В самом деле, в рамках этой гипотезы любой луч зрения должен… …   Физическая энциклопедия

  • ФИЗИКА. — ФИЗИКА. 1. Предмет и структура физики Ф. наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств …   Физическая энциклопедия

Книги



Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.