Реликтовое излучение

История исследования[править | править код]

Первое случайное обнаружениеправить | править код

В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами CN в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил, что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения.

Предсказаниеправить | править код

В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Предысторияправить | править код

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента».

Открытиеправить | править код

Рупорно-параболическая антенна в Холмдейле, 1962 год.

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов.

В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Исследование неоднородностейправить | править код

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев.


Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE (ошибки измерений не видны в масштабе рисунка)

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA COBE, выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства. Предполагалось, что наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев с возможным продлением полёта на 1 год, и что обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.

Отношение к Большому Взрыву[править | править код]

Поляризацияправить | править код

Реликтовое излучение поляризовано на уровне в несколько мкК. Выделяются E-мода (градиентная составляющая) и B-мода (роторная составляющая) по аналогии с поляризацией электромагнитного излучения. E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 мкК, не может возникать вследствие взаимодействия с плазмой.

B-мода является признаком инфляции вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение B-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что B-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной E-модой.

На 2015 год наблюдательных подтверждений открытия B-моды нет. 17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат можно полностью отнести на счёт галактической пыли.

Вторичная анизотропияправить | править код

Вторичная анизотропия реликтового излучения возникает в процессе распространения фотонов на их пути от поверхности последнего рассеяния до наблюдателя, например, рассеяния на горячем газе или прохождения гравитационного потенциала.

Когда фотоны реликтового излучения стали распространяться беспрепятственно, обычная материя во Вселенной была в основном в виде нейтральных атомов водорода и гелия. Тем не менее, наблюдения галактик сейчас показывают, что большая часть объёма межгалактической среды состоит из ионизованного материала (так как есть несколько линий поглощения, связанных с атомами водорода). Это означает, что был период реионизации, в ходе которого некоторое количество вещества Вселенной было вновь разбито на ионы и электроны.

Фотоны микроволнового излучения рассеиваются на свободных зарядах, таких как электроны, которые не связаны в атомах. В ионизированной Вселенной такие заряженные частицы были выбиты из нейтральных атомов ионизирующим ультрафиолетовым излучением. Сегодня эти свободные заряды имеют достаточно низкую плотность в большей части объёма Вселенной, так что они не влияют заметно на реликтовое излучение. Однако если межгалактическая среда была ионизирована на очень ранних этапах расширения, когда Вселенная была намного плотнее, чем сейчас, то это должно было вызвать два основных следствия для реликтового излучения:

  • мелкомасштабные флуктуации будут стёрты подобно тому, как при взгляде на объект сквозь туман детали объекта становятся нечёткими.
  • процесс рассеяния фотонов на свободных электронах (томсоновское рассеяние) будет вызывать анизотропию поляризации реликтового излучения на больших угловых масштабах, которая будет коррелировать с температурной анизотропией.

Оба этих эффекта наблюдались космическим телескопом WMAP, что свидетельствует о том, что Вселенная была ионизирована на очень ранних этапах (на красном смещении более 17). Происхождение этого раннего ионизирующего излучения всё ещё является предметом научных дискуссий. Это излучение, возможно, включает свет самых первых звёзд, сверхновых, которые явились результатом эволюции этих звёзд, и ионизирующее излучение, возникающее при аккреционных дисках массивных чёрных дыр.

Два других эффекта, которые возникли в период между реионизацией и нашими наблюдениями реликтового излучения и которые являются причиной флуктуаций: эффект Сюняева — Зельдовича, заключающийся в том, что облако электронов высокой энергии рассеивает реликтовые фотоны и передаёт часть своей энергии им, и эффект Сакса — Вольфа, который вызывает смещение спектра фотонов от космического микроволнового фона в красную или фиолетовую область спектра по причине изменения гравитационного поля. Эти два эффекта связаны с влиянием структур в поздней Вселенной (красное смещение меньше или порядка 1). С одной стороны, они приводят к размыванию спектра реликтового излучения, так как накладываются на первичную анизотропию; с другой стороны — позволяют получить информацию о распространённости структур в поздней Вселенной, а также проследить за их развитием.

Сциадопитис

Существует в единственном виде — Сциадопитис мутовчатый (Sciadopitys verticillata). В прошлых геологических эпохах этот род деревьев имел огромнейшее распространение. Об этом свидетельствует тот факт, что их останки были обнаружены в меловых отложениях в Японии, Гренландии, Норвегии, Якутии, на Урале.

На данный момент в природных условиях сциадопитис произрастает лишь на некоторых островах в Японии, где он сохранился на высоте 500-1000 м над уровнем моря во влажных горных лесах, а также на склонах, в глухих ущельях, в рощах.

Сциадопитис – вечнозеленое дерево, имеющее пирамидальную крону. Может вырастать в высоту до 40 м. Размер ствола в обхвате — до 4 метров. Характеризуется очень медленным ростом. Дерево часто называют «зонтичной сосной» из-за уникального строения хвои. Ее уплощенные иголки, имеющие длину в среднем до 0,15 м, образуют ложные мутовки и раздвинуты в стороны, словно спицы у зонтика.

Плодами сциадопитиса являются шишки овальной формы, срок созревания которых составляет два года.

Поскольку сциадопитис может долгое время произрастать в контейнерах, его часто используют в декоративном садоводстве в качестве комнатного и оранжерейного растения. Как парковая культура введен в Европе с 19 века.

§5.1. Реликтовое излучение Вселенной

Астрономические наблюдения показывают, что, помимо отдельных источников
излучения в виде звезд и галактик, во Вселенной есть излучение, неразделяемое
на отдельные источники — фоновое излучение. Оно наблюдается во всех
диапазонах электромагнитного спектра. В основном фоновое излучение есть сумма
свечения различных источников (галактик, квазаров, межгалактического газа),
настолько далеких, что современные средства астрономических наблюдений пока
не могут разделить их суммарное излучение на отдельные слагаемые (вспомним,
что и Млечный Путь вплоть до XVII века считался сплошной полосой света, и
только в 1610 году
Галилео Галилей,
рассмотрев его в телескоп, обнаружил, что он
состоит из отдельных звезд).

В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вильсон
обнаружили фоновое излучение в микроволновом диапазоне (длина волны от
300 мкм до
50 см,
частота от 6·108 Гц
до 1012 Гц).
На этих частотах электромагнитных волн
просто нет источников, которые могли бы дать фоновое излучение такой яркости.
Это излучение очень однородно: с точностью до тысячных долей процента его
интенсивность постоянна по всему небу. Заметим, что несколько процентов того
“снега”, который возникает на экране телевизора на ненастроенном канале,
обусловлены как раз микроволновым фоновым излучением.

Главным свойством микроволнового фонового излучения
является его спектр (т.е. распределение интенсивности в зависимости от
частоты или длины волны), показанный на рис. 5.1.2. Спектр этого излучения
в точности ложится на теоретическую кривую, хорошо известную физике —
кривую Планка.
Спектр такого типа носит название спектра излучения абсолютно черного тела.
Такой спектр характерен для полностью непрозрачного нагретого вещества.
Температура микроволнового излучения составляет около
3 К
(точнее, 2.728 К).
Сложением излучений каких-либо источников
невозможно добиться того, чтобы получился планковский спектр. Наиболее
надежное подтверждение планковского характера спектра реликтового излучения
было получено с помощью американского спутника
COBE
(Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона) в 1992 году.

Рис. 5.1.2. Спектр реликтового излучения (по данным
космического аппарата COBE). По вертикальной оси отложена интенсивность излучения
в единицах Янстерад
(1 Янский = 10-26 Джм2).
По горизонтальной оси
— частота, деленная на скорость света. Сплошной линией показан спектр излучения
абсолютно черного
тела при температуре
T=2.7277 K.
Вертикальные отрезки показывают ошибки измерения интенсивности излучения
с борта COBE, увеличенные в 400 раз.
Ссылка на источник.

Уравнение планковской кривой имеет вид


.
(5.1)

ρννhckT

Микроволновое излучение Вселенной иначе называется
реликтовым. Такое название связано с тем, что оно несет в себе информацию о
физических условиях, царивших во Вселенной тогда, когда еще не успели
образоваться звезды и галактики. Сам факт существования этого излучения
говорит о том, что в прошлом свойства Вселенной были существенно иными,
чем в настоящее время. Для обоснования этого вывода приведем следующую
логическую цепочку.

  1. Поскольку спектр реликтового излучения является спектром абсолютно черного
    тела, это излучение формируется полностью непрозрачным нагретым телом.
  2. Поскольку это излучение равномерно приходит к нам со всех сторон, мы со
    всех сторон окружены каким-то непрозрачным телом.
  3. Однако Вселенная — в современном ее виде — почти полностью прозрачна для
    радиоволн в микроволновом (миллиметровом и сантиметровом) диапазоне. Стало
    быть, вещество, испускающее это излучение, отстоит от нас намного дальше, чем
    любые наблюдаемые объекты — галактики, квазары и т.д. Вспоминая принцип “чем
    дальше в пространстве — тем глубже во времени”, мы приходим к выводу, что
    Вселенная была полностью непрозрачной в глубоком прошлом, когда еще не
    образовались звезды и галактики; а раз непрозрачной, значит, очень плотной
    .
    Микроволновое фоновое излучение является реликтом, оставшимся от той далекой
    эпохи.

Отметим, что почти идеальная однородность этого излучения
— лучший довод в пользу космологического принципа, в пользу однородности
Вселенной на больших масштабах.

Приведем некоторые количественные данные о реликтовом излучении.
По закону Вина, температура чернотельного излучения с длиной волны, на которую
приходится максимум интенсивности
λmax,
вычисляется по формуле


max=0.29 K·см.
(5.2)

λmaxсм-22Дж8

Откуда взялось реликтовым излучение?

Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась Вселенная? По сути, реликтовое излучение – это то, что осталось от «строительства Вселенной», когда она начала только зарождаться после расширения плотной горячей плазмы. Для того чтобы проще было понять что такое реликтовое излучение сравним его с остатками человеческой деятельности. К примеру, человек изобретает что-то, другие это покупают, употребляют и выбрасывают отходы. Так вот мусор (тот самый результат жизни человека) – это и есть аналог реликтового излучения. По мусору можно узнать все – где человек был в определенный промежуток времени, что он ел, во что был одет, и даже о чем вел беседу. Также и реликтовое излучение. По его свойствам ученые пытаются построить картину момента большого взрыва, что возможно даст ответ на вопрос: как появилась Вселенная? Но все же, законы сохранения энергии создают определенные разногласия о возникновении вселенной, потому что ничто из ниоткуда не берется и никуда не девается. Динамика нашей вселенной – это переходы, смена свойств и состояний. Это можно наблюдать даже на нашей планете. К примеру, шаровая молния появляется в сгустке облака из частиц воды?! Как? Как так может быть? Никто не может объяснить происхождение тех или иных законов. Есть только моменты открытия этих законов, как и история открытия реликтового излучения.

Карта реликтового излучения

Географические реликтовые растения

К географическим реликтовым растениям относят виды, сохранившиеся в определенном регионе как остаток прошедших геологических эпох, в которых условия существования значительно отличались от современных. Так, к неогеновым (третичным) реликтам относят лесообразующие породы деревьев (каштан, дзельква и некоторые другие), ряд вечнозеленых кустарников (горянка колхидская, самшит, иглица колючая, рододендрон понтийский и др.), а также травянистые растения, произрастающие в Колхиде. Это достаточно теплолюбивые виды реликтовых растений, поэтому сохранились они в местах с теплым климатом.

Примерами ледниковых реликтов являются сабельник болотный, произрастающий на Кавказе, и береза карликовая, сохранившаяся в центральной Европе.

Реликтовое излучение

В 1941 году канадский астроном Эндрю МакКеллар, наблюдая за созвездием Змееносца, обнаружил в спектре одной из звёзд довольно странные линии поглощения. Странность заключалась в том, что эти линии соответствовали температуре всего лишь на 2,3,градуса выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль, как известно, — это 0 градусов по Кельвину или минус 273 градуса по Цельсию. Это температура, при которой прекращается любое тепловое движение. Открытие МакКеллара, не получив разумного объяснения, было «положено под сукно» до лучших времён. Лучшие времена же наступили лишь четверть века спустя. За этот промежуток времени Георгий Гамов создал свою теорию Большого взрыва, следствием которого и должно было оказаться наличие излучения примерно похожих характеристик. В 1955 году загадочное излучение было обнаружено снова в Пулковской обсерватории советскими учёными Тиграном Шмаоновым, Семёном Хайкиным и Наумом Кайдановским. Шмаонов впервые отметил, что интенсивность излучения не зависит от направления на небе и времени наблюдения, и дал ему предварительное название «фоновое излучение». И снова этот факт не получил «широкой огласки» среди научной общественности. Наконец, в 1965 году американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон построили специальный радиометр, с помощью которого удалось измерить все характеристики излучения и даже установить его температуру — 2,7 К, то есть на 2,7 градуса выше абсолютного нуля, или минус 270,3 градуса по Цельсию. А советский астрофизик Иосиф Шкловский дал этому излучению окончательно утвердившееся в российской науке очень красивое название — реликтовое излучение. Как оказалось, именно реликтовое излучение является одним из главных доказательств теории Большого взрыва. Именно такие характеристики и должны иметь фотоны, «бежавшие» по расширяющейся и охлаждающейся Вселенной более 13 миллиардов лет и наконец донесшие до Земли эхо Большого взрыва.

Что удалось обнаружить ученым?

Озеро, находившееся в течение 4-25 млн. лет в изоляции от биосферы и атмосферы Земли, обладает практически всеми важными для обитания в нем живых организмов факторами: вода пресная, содержание кислорода в 50 раз превышающее значения в обычной воде, а также высокая температура, что связано, скорее всего, с наличием геотермальных подземных источников. Но для микроорганизмов имеются некоторые сложности, главными образом связанные с огромным давлением воды, создаваемым гигантским ледяным панцирем, а также отсутствие света и каких-либо органических веществ.

В 2013 году российским ученым в пробах замерзшей воды, добытой из озера, удалось по анализу ДНК обнаружить неизвестную ранее микробную жизнь. Эта бактерия на сегодня не идентифицирована и не классифицирована. Такая находка может существенно изменить некоторые представления в мире науки. Выходит, что реликтовое озеро Восток на сегодня является единственной площадкой на планете Земля для отработки методов поисков внеземных форм жизни, так как условия в озере напоминают данные о некоторых планетах, в которых с большой долей вероятности может существовать жизнь.

Российские полярники смогли добраться до глубин озера Восток, пробурив около 4000 метров в глубину. Лед в озере обладает совершено уникальной структурой. Это единые гигантские кристаллы, которые обнаружены впервые.

2 Фоновое космическое микроволновое излучение и полевая теория элементарных частиц

Полевая теория элементарных частиц в качестве одного из источников фонового космического (реликтового) излучения предлагает взаимодействия электронных нейтрино (антинейтрино), в гигантских количествах испускаемых звездами. Поскольку электронными нейтрино, благодаря ее чрезвычайной легкости (не более 0,28эВ), уносится существенная часть энергии термоядерного синтеза, то они движутся с релятивистскими скоростями и с легкостью покидают не только систему звезды, но и галактику. Сталкиваясь в межгалактическом пространстве с электронными нейтрино (мюонные нейтрино, будучи нестабильными элементарными частицами, распадутся за такое время и в продуктах их распада будут присутствовать электронные нейтрино) от других звезд, элементарные частицы переходят в возбужденные состояния. Затем по истечении определенного времени возбужденные электронные нейтрино переходят в состояния с меньшей энергией с испусканием низкоэнергетических фотонов или рождением пар «нейтрино-антинейтрино», если на последнее достаточно энергии. При этом излучение фотонов происходит в межгалактическом пространстве. Таким образом, создается иллюзия появления электромагнитного излучения из ничего (кажущееся нарушение закона сохранения энергии) или из далекого прошлого (Большой взрыв).

Следующим источником фонового космического излучения является взаимодействие фотонов с электронными нейтрино. Фотоны светового, ультрафиолетового или инфракрасного диапазона, столкнувшись в межзвездном пространстве с соединениями электронных нейтрино, разбивают их. Вследствие этого с одной стороны появляется новая пара свободных электронных нейтрино, которые после потери кинетической энергии (от разбивания других нейтринных пар) при слиянии образуют основную компоненту фонового космического микроволнового излучения, а с другой стороны падает энергия сталкивающегося фотона — т.е. создается красное смещение. Также фотон может столкнуться и с одиночным электронным нейтрино, переведя его в возбужденное состояние со всеми вытекающими последствиями. Следовательно, механизм образования красного смещения является одним из источников фонового космического излучения.

Еще одним источником фонового космического излучения являются реакции аннигиляции пар элементарных частиц — это аннигиляция пары «нейтрино-антинейтрино», сюда можно также добавить пару «электрон-позитрон».

Таким образом, фоновое космическое (реликтовое) излучение должно включать в себя электромагнитное излучение, возникающее при слиянии пар электронных нейтрино в связанное состояние, излучение возбужденных нейтрино (антинейтрино), при их переходах в состояния с меньшей энергией, а также результаты реакции пара «нейтрино-антинейтрино». Сегодня физика не в состоянии измерить ни массу покоя электронного и мюонного нейтрино, ни энергии их возбужденных состояний. Поэтому физика сегодня не может однозначно сказать является ли фоновое космическое (реликтовое) излучение в основном результатом столкновений нейтрино и их реакций, или у него есть еще иные существенные компоненты.

Отношение к Большому Взрыву[править]

Стандартная модель возникновения Вселенной в рамках теории Большого Взрыва требует, чтобы начальные условия Вселенной описывались Гауссовским случайным полем близким к масштабно инвариантному или со спектром Гаррисона-Зельдовича. Это, например, предсказывает инфляционная модель Вселенной. Это означает, что начальное состояние Вселенной является случайным, но в чётко определённых рамках, при которых амплитуда первичных неоднородностей составляет 10-5. Следовательно, осмысленные утверждения о неоднородностях Вселенной должны быть статистическими по природе. Это приводит к идее космического отклонения, при которых неопределённости в отклонении наблюдаемых во Вселенной флуктуаций самого большого масштаба трудно аккуратно сравнивать с теорией.

Анализправить

Анализ реликтового излучения с целью получения карт, углового спектра мощности и конечном итоге космологических параметров является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, разбивающим карту неба на сферические гармоники, на практике трудно учитывать шумовые эффекты. В общем случае эти проблемы не удаётся решить «грубой силой» и вместо этого необходимо использовать оптимизационные методы такие как Monte Carlo моделирование Марковских цепей.

Объяснение с помощью процесса в ранней Вселенной

Теперь рассмотрим более экзотические сценарии возникновения холодного пятна. В них предполагается, что холодное пятно образовалось в самые первые моменты после Большого взрыва. Вообще, нам мало что известно об этом времени. Предполагается, что примерно через 10−32 с после Большого взрыва закончилась эпоха инфляции, когда Вселенная расширялась с ускорением. Еще раньше, через 10−36 с после него, была эпоха, когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в одно. Но стройной теории, которая объясняла бы процессы в эту эпоху, у нас нет. А еще раньше, до момента 10−43 с, была таинственная Планковская эпоха. Мы пока вообще не понимаем, чем было тогда пространство и время. Различные предположения и спекуляции об этих ранних эпохах предсказывают такие загадочные вещи, как космические струны или монополи. Холодное пятно может вполне оказаться отпечатком такой ранней особенности, если существовали, например, какие-то неоднородные текстуры пространства-времени (M. Cruz et al., 2007. A Cosmic Microwave Background Feature Consistent with a Cosmic Texture) или неоднородности в инфляционном поле (Juan C. Bueno Sánchez, 2014. The inflationary origin of the Cold Spot anomaly).

Другое экзотическое объяснение предполагает, что в начале эпохи инфляции наша Вселенная столкнулась с другой вселенной, что привело к возникновению холодного пятна (K. Larjo, T. S. Levi, 2009. Bubble, Bubble, Flow and Hubble: Large Scale Galaxy Flow from Cosmological Bubble Collisions). Теория инфляции, во многих ее интерпретациях, предполагает, что мы живем в некотором изолированном пузыре-вселенной и что существует еще огромное количество пузырей, в которых, может быть, эволюция вселенной пошла совершенно другим путем. Если в начале инфляции наш пузырь столкнулся с другим, то можно ожидать увидеть пятно или дискообразную структуру на реликтовом излучении (представьте, что мы живем в мыльном пузыре, который когда-то пересекся с другим пузырем: если они пересеклись чуть-чуть, то на нашем пузыре может остаться пятно, а если пересеклись сильно, то останется кольцо). Если так, то холодное пятно может стать первым наблюдаемым явлением, отражающим экзотическую физику ранней Вселенной, в том числе физику струн.

Впрочем, не стоит забывать, что холодное пятно может оказаться просто случайным образованием. Если взять физические параметры нашего мира и смоделировать много случайных симуляций Вселенной, то в одной на 50 симуляций будет что-то похожее на наше холодное пятно. А это не такая уж низкая вероятность.

В заключение стоит также отметить, что наша стартовая точка, утверждение о том, что холодное пятно является чем-то очень необычным, — не такое уж безапелляционное. Как вообще определили, что именно эта структура является аномальной? Для этого на измеренную карту флуктуаций температуры реликтового излучения примеряют функцию, по форме напоминающую мексиканское сомбреро. С помощью разных сомбреро можно отыскивать аномалии разного углового размера. Такой анализ показывает исключительность холодного пятна. Но на что именно реагирует анализ? Оказывается, что анализ реагирует не только на низкую температуру в центре пятна, но и на кольцо повышенной температуры вокруг него. Не будь этого горячего кольца, значимость холодного пятна была бы ниже. Хотя даже и тогда холодное пятно остается исключительной и непонятной аномалией.

Природа излучения

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией — имели место рассеяние Томсона и Комптона[источник не указан 2827 дней]. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией). Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 380 000 лет. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли. Эти фотоны (в связи с уже идущей рекомбинацией) избежали рассеяния и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться Вселенной. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля и сейчас составляет всего 2,725 К.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий