реліктове випромінювання

1. Перше випадкове виявлення [ правити | правити код ]
2. передбачення [ правити | правити код ]
3. Передісторія [ правити | правити код ]
4. відкриття [ правити | правити код ]
5. Дослідження неоднорідностей [ правити | правити код ]
6. Дипольна анізотропія [ правити | правити код ]
7. Первинна анізотропія [ правити | правити код ]
8. Вторинна анізотропія [ правити | правити код ]
9. аналіз [ правити | правити код ]
10. Слабкі мультиполя [ правити | правити код ]

Наш общий бизнес-фронт BIKINIKA.com.ua

Реліктове випромінювання ( лат. relictum - залишок), космічне надвисокочастотне фонове випромінювання - рівномірно заповнює Всесвіт теплове випромінювання , Що виникло в епоху первинної рекомбінації водню . Володіє високим ступенем изотропности і спектром , Властивим для абсолютно чорного тіла з температурою 2,72548 ± 0,00057 До [1] .

Існування реліктового випромінювання було передбачене теоретично Георгієм Гамовим в рамках теорії великого вибуху . Хоча в даний час багато аспектів первісної теорії Великого вибуху переглянуті, основи, що дозволили передбачити ефективну температуру реліктового випромінювання, залишилися незмінні. Експериментально його існування було підтверджено в 1965 році . Поряд з космологічним червоним зміщенням , Реліктове випромінювання розглядається як одне з головних підтверджень теорії Великого вибуху.

Термін реліктове випромінювання, який зазвичай використовується в російськомовній літературі, ввів у вживання радянський астрофізик І. С. Шкловський [2] .

Відповідно до теорії Великого Вибуху, рання Всесвіт являла собою гарячу плазму , Що складається з електронів , баріонів і постійно випромінюються, поглинає і знову перєїзлучать фотонів . Фотони постійно взаємодіяли з іншими частинками плазми, стикаючись з ними і обмінюючись енергією - мали місце розсіювання Томсона [3] і Комптона [ Джерело не вказано 2240 днів ]. Таким чином, випромінювання знаходилося в стані теплової рівноваги з речовиною, а його спектр відповідав спектру абсолютно чорного тіла .

По мірі розширення Всесвіту , космологічне червоне зміщення викликало охолодження плазми, і на певному етапі сповільнилися електрони отримали можливість з'єднуватися з сповільнилася протонами (ядрами водню ) і альфа-частками (ядрами гелію ), Утворюючи атоми (Цей процес називається рекомбинацией ). Це сталося при температурі плазми близько 3000 К і зразковому вік Всесвіту 380 000 років [4] . Вільного простору між частинками стало більше, заряджених частинок стало менше, фотони перестали так часто розсіюватися і тепер могли вільно переміщатися в просторі, практично не взаємодіючи з речовиною. Реліктове випромінювання і складають ті фотони, які були в той час випроменені плазмою в сторону майбутнього розташування Землі. Ці фотони (у зв'язку з уже йде рекомбинацией) уникли розсіювання і до сих пір досягають Землі через простір продовжує розширюватися Всесвіту. Видимий сфера , Що відповідає даному моменту, називається поверхнею останнього розсіювання [3] . Це - найвіддаленіший об'єкт, який можна спостерігати в електромагнітному спектрі.

В результаті подальшого розширення Всесвіту ефективна температура цього випромінювання знизилася майже до абсолютного нуля і зараз становить всього 2,725 К.

Перше випадкове виявлення [ правити | правити код ]

В 1941 році , вивчаючи поглинання світла зірки ξ Змієносця молекулами CN в міжзоряному середовищі , Ендрю Мак-Келлар зазначив [5] [6] , Що спостерігаються лініїпоглинання не тільки для основного обертального стану цієї молекули, а й для порушеної, причому співвідношення інтенсивностей ліній відповідає температурі CN ~ 2,3 К. У той час це явище не набуло пояснення [7] .

передбачення [ правити | правити код ]

В 1948 році реліктове випромінювання було передбачене Георгієм Гамовим , Ральфом Альфером і Робертом Германом на основі створеної ними першої теорії гарячого Великого вибуху. Більш того, Альфер і Герман змогли встановити, що температура реліктового випромінювання повинна складати 5 К, а Гамов дав прогноз в 3 К [8] . Хоча деякі оцінки температури простору існували і до цього, вони володіли кількома недоліками. По-перше, це були вимірювання лише ефективної температури простору, що не передбачалося, що спектр випромінювання підкоряється закону Планка . По-друге, вони були залежні від нашого особливої ​​прихильності на краю галактики Чумацький шлях і гадки не мали, що випромінювання изотропно. Більш того, вони б дали зовсім інші результати, якби Земля знаходилася де-небудь в іншому місці Всесвіту.

Передісторія [ правити | правити код ]

В 1955 році аспірант-Радіоастрон Тигран Арамович Шмаонов в Пулковської обсерваторії під керівництвом відомих радянських радіоастрономів С. Е. Хайкіна і Н. Л. Кайдановського провів вимірювання радіовипромінювання з космосу на довжині хвилі 32 см і експериментально виявив шумове СВЧ випромінювання [9] . Висновок з цих вимірів був такий: «Виявилося, що абсолютна величина ефективної температури радіовипромінювання фону ... дорівнює 4 ± 3 К». Шмаонов відзначав незалежність інтенсивності випромінювання від напрямку на небі і від часу. Після захисту дисертації він опублікував про це статтю в неастрономіческом журналі «Прилади і техніка експерименту» [10] .

відкриття [ правити | правити код ]

Результати Гамова широко не обговорювалися. Однак вони були знову отримані Робертом Дікке і Яковом Зельдовичем на початку 1960-х років.

В 1964 році це підштовхнуло Девіда Тодда Вілкінсона і Пітера Ролла, колег Дікке по Прінстонському університету , До створення радіометра Дікке для вимірювання реліктового випромінювання.

В 1965 році Арно Пензіас і Роберт Вудроу Вільсон з Bell Telephone Laboratories в Холмдейле [En] (штат Нью Джерсі ) побудували прилад [En] , Аналогічний радіометр Дікке, який вони мали намір використовувати не для пошуку реліктового випромінювання, а для експериментів в області радіоастрономії і супутникових комунікацій. При калібрування установки з'ясувалося, що антена має надлишкову шумову температуру в 3,5 К, яку вони не могли пояснити. Отримавши дзвінок з Холмдейла, Дікке з гумором зауважив: «Хлопці, нас обскакали!» ( «Boys, we've been scooped!»). Після спільного обговорення групи з Прінстона і Холмдейла зробили висновок, що така температура антени була викликана реліктовим випромінюванням. У 1978 році Пензиас і Вільсон за своє відкриття отримали Нобелівську премію .

Дослідження неоднорідностей [ правити | правити код ]

В 1983 році був проведений перший експеримент, РЕЛІКТ-1 , По вимірюванню реліктового випромінювання з борту космічного апарату. В січні 1992 року на підставі аналізу даних експерименту РЕЛІКТ-1 російські вчені оголосили про відкриття анізотропії реліктового випромінювання [11] . Трохи пізніше про виявлення флуктуацій оголосили і американські вчені на підставі даних експерименту COBE [12] . В 2006 році за це відкриття було присуджено Нобелівська премія з фізики керівникам групи COBE Джорджу Смуту і Джону Мазер , Хоча російські дослідники оприлюднили свої результати раніше американців [13] [14] [15] [16] .

Спектрофотометр далекого інфрачервоного випромінювання FIRAS, встановлений на супутнику NASA COBE, виконав найбільш точні на сьогоднішній день вимірювання спектра реліктового випромінювання. Вони підтвердили його відповідність спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 К.

Найбільш детальну карту реліктового випромінювання вдалося побудувати в результаті роботи американського космічного апарату WMAP .

14 травня 2009 року було здійснено запуск супутника місії Планк Європейського космічного агентства [17] [18] . Передбачалося, що спостереження будуть тривати протягом 15 місяців з можливим продовженням польоту на 1 рік, і що обробка результатів цього експерименту дозволить перевірити і уточнити дані, отримані WMAP.

Спектр наповнює Всесвіт реліктового випромінювання відповідає спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 кельвіна . Його максимум припадає на частоту 160,4 ГГц ( мікрохвильове випромінювання ), Що відповідає довжині хвилі 1,9 мм (Дивіться спектри випромінювання на малюнку справа). Воно изотропно з точністю до 0,01% - середньоквадратичне відхилення температури становить приблизно 18 мкК. Це значення не враховує дипольні анізотропію (різниця між найбільш холодної та гарячої областю становить 6,706 мк [19] ), Викликану доплеровским зміщенням частоти випромінювання через нашу власну швидкості щодо системи відліку , Пов'язаної з реліктовим випромінюванням. червоне зміщення для реліктового випромінювання трохи перевищує 1000 [20] .

Щільність енергії реліктового випромінювання становить 0,25 еВ / см3 [21] (4⋅10-14 Дж / м3) або 400-500 фотонів / см3 [22] .

Дипольна анізотропія [ правити | правити код ]

Ще в 1969 році було виявлено, що в реліктовому випромінюванні помітно виділена дипольна складова: в напрямку сузір'я Льва температура цього випромінювання на 0,1% вище, ніж в середньому, а в протилежному напрямку - на стільки ж нижче [23] . Цей факт інтерпретується як наслідок ефекту Доплера , Що виникає при русі Сонця щодо реліктового фону зі швидкістю приблизно 370 км / с в сторону сузір'я Лева. Оскільки Сонце обертається навколо центру Галактики зі швидкістю ~ 220-230 км / с в сторону сузір'я Лебедя, і навіть робить рух щодо центру Місцевої групи галактик (Групи галактик, що включає Чумацький шлях ) [24] , Це означає, що Місцева група як ціле рухається щодо реліктового випромінювання зі швидкістю приблизно (за сучасними даними) 627 ± 22 {\ displaystyle 627 \ pm 22} км / с в напрямку точки з галактичних координатами l = 276 ± 3 ∘ {\ displaystyle l = 276 \ pm 3 ^ {\ circ}} , B = 30 ± 3 ∘ {\ displaystyle b = 30 \ pm 3 ^ {\ circ}} [25] [26] (Ця точка розташовується в сузір'ї Гідри [27] ).

Існують і альтернативні теорії, які також можуть пояснити виделенность дипольної компоненти реліктового випромінювання [28] .

Первинна анізотропія [ правити | правити код ]

поляризація [ правити | правити код ]

реліктове випромінювання поляризоване на рівні в кілька мкК . Виділяються E-мода ( градиентная складова) і B-мода ( роторна складова) [29] за аналогією з поляризацією електромагнітного випромінювання . E-мода може з'являтися при проходженні випромінювання через неоднорідну плазму внаслідок томпсоновським розсіювання . B-мода, максимальна амплітуда якої досягає всього лише 0,1 мкК , Не може виникати внаслідок взаємодії з плазмою.

B-мода є ознакою інфляції всесвіту і визначається щільністю первинних гравітаційних хвиль . Спостереження B-моди є складним завданням внаслідок невідомого рівня шуму для цієї компоненти реліктового випромінювання, а також за рахунок того, що B-мода змішується слабким гравітаційним лінзуванням з більш сильною E-модою [30] .

На 2015 рік наглядових підтверджень відкриття B-моди немає. 17 березня 2014 року вчені з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики оголосили про виявлення B-моди на рівні r = 0,2 [31] [32] [33] [34] [35] . Однак, більш пізній аналіз (опублікований 19 вересня 2014 року), проведений іншою групою дослідників з використанням даних обсерваторії «Планк» , Показав, що результат можна повністю віднести на рахунок галактичної пилу. [36]

Вторинна анізотропія [ правити | правити код ]

Вторинна анізотропія реліктового випромінювання виникає в процесі поширення фотонів на їх шляху від поверхні останнього розсіювання до спостерігача, наприклад, розсіювання на гарячому газі або проходження гравітаційного потенціалу [37] .

Коли фотони реліктового випромінювання стали поширюватися безперешкодно, звичайна матерія у Всесвіті була в основному у вигляді нейтральних атомів водню і гелію. Проте, спостереження галактик зараз показують, що більша частина обсягу межгалактической середовища складається з іонізованого матеріалу (так як є кілька ліній поглинання, пов'язаних з атомами водню). Це означає, що був період реіонізаціі, в ході якого кілька речовини Всесвіту було знову розбито на іони і електрони [38] .

Фотони мікрохвильового випромінювання розсіюються на вільних зарядах, таких як електрони, які не пов'язані в атомах. У іонізованої Всесвіту такі заряджені частинки були вибиті з нейтральних атомів іонізуючим ультрафіолетовим випромінюванням. Сьогодні ці вільні заряди мають досить низьку щільність в більшій частині обсягу Всесвіту, так що вони не впливають помітно на реліктове випромінювання. Однак якщо міжгалактична середовище було іонізована на дуже ранніх етапах розширення, коли Всесвіт був набагато щільніше, ніж зараз, то це мало б викликати два основні наслідки для реліктового випромінювання:

• дрібномасштабні флуктуації будуть стерті подібно до того, як при погляді на об'єкт крізь туман деталі об'єкта стають нечіткими.
• процес розсіювання фотонів на вільних електронах ( томсонівське розсіювання ) Буде викликати анизотропию поляризації реліктового випромінювання на великих кутових масштабах, яка буде корелювати з температурною анізотропією.

Обидва цих ефекту спостерігалися космічним телескопом WMAP, що свідчить про те, що Всесвіт був іонізована на дуже ранніх етапах (на червоному зміщенні більше 17). Походження цього раннього іонізуючого випромінювання все ще є предметом наукових дискусій. Це випромінювання, можливо, вмикає світло найперших зірок, наднових , Які з'явилися результатом еволюції цих зірок, і іонізуюче випромінювання, що виникає при акреційних дисках масивних чорних дір .

Два інших ефекту, які виникли в період між реіонізаціі і нашими спостереженнями реліктового випромінювання і які є причиною флуктуацій: ефект Сюняева - Зельдовича , Що полягає в тому, що хмара електронів високої енергії розсіює реліктові фотони і передає частину своєї енергії їм, і ефект Сакса - Вольфа , Який викликає зміщення спектру фотонів від космічного мікрохвильового фону в червону або фіолетову область спектра через зміни гравітаційного поля. Ці два ефекти пов'язані з впливом структур в пізньої Всесвіту (червоне зміщення менше або близько 1). З одного боку, вони призводять до розмивання спектру реліктового випромінювання, так як накладаються на первинну анизотропию; з іншого боку - дозволяють отримати інформацію про поширеність структур в пізньої Всесвіту, а також простежити за їх розвитком [37] .

радіотелескопи в Антарктиді :

космічні радіотелескопи :

аналіз [ правити | правити код ]

Аналіз реліктового випромінювання з метою отримання його карт, кутового спектра потужності, а в кінцевому підсумку космологічних параметрів, є складною, обчислювально важким завданням. Хоча розрахунок спектра потужності на підставі карти є принципово простим перетворенням Фур'є , Які представляють розкладання фону по сферичним гармоніка , На практиці важко враховувати шумові ефекти .

Для аналізу даних використовуються спеціалізовані пакети:

• HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelization) - пакет додатків, який використовується командою WMAP .
• GLESP (Gauss-Legendre Sky Pixelization) - пакет, розроблений в якості альтернативи HEALPix за участю вчених з Росії, Німеччини, Англії та Тайваню.

Кожен пакет використовує свій формат зберігання карти реліктового випромінювання і свої методи обробки.

Слабкі мультиполя [ правити | правити код ]

1. ↑ Fixsen, DJ The Temperature of the Cosmic Microwave Background // Astrophysical Journal . - 2009. - Т. 707. - С. 916-920. - DOI : 10.1088 / 0004-637X / 707/2/916 . - Bibcode : 2009ApJ ... 707..916F . - arXiv : 0911.1955 .
2. ↑ Шкловський І. С., Всесвіт, життя, розум. М .: Наука., 1987
3. ↑ 1 2 Д. Ю. Клімушкін, С. В. Граблевскій. Глава 5. Реліктове випромінювання і теорія гарячого Всесвіту, § 5.3. Речовина і випромінювання в гарячої розширення Всесвіту (неопр.). Космологія (2001). Дата обігу 11 травня 2013.
4. ↑ Planck and the cosmic microwave background (неопр.). European Space Agency (ESA). Дата обігу 1 квітня 2019.
5. ↑ A. McKellar. Molecular Lines from the Lowest States of Diatomic Molecules Composed of Atoms Probably Present in Interstellar Space // Publications of the Dominion Astrophysical Observatory. - 1941. - Vol. 7. - P. 251. - Bibcode : 1941PDAO .... 7..251P .
6. ↑ A. McKellar. The Problems of Possible Molecular Identification for Interstellar Lines // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. - 1941. - Vol. 53, № 314. - P. 233-235. - DOI : 10.1086 / 125323 . - Bibcode : 1941PASP ... 53..233M .
7. ↑ Зельдович Я. Б., Новіков І. Д. Будова і еволюція Всесвіту. - М.: Наука, 1975. - С. 156. - 736 с.
8. ↑ Physics Today , 1950, № 8, стор. 76
9. ↑ Онлайн-енциклопедія «Кругосвет»
10. ↑ Шмаонов Т. А. Методика абсолютних вимірювань ефективної температури радіовипромінювання з низькою еквівалентної температурою // Прилади і техніка експерименту. 1957. № 1 С.83-86. 18.
11. ↑ Strukov IA et al. The Relikt-1 experiment - New results // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 1992. - Vol. 258. - P. 37P-40P.
12. ↑ Smoot GF et al. Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps // Astrophysical Journal, Part 2 - Letters. - 1992. - Vol. 396. - P. L1-L5.
13. ↑ Втрачені можливості | Аналітика та коментарі | Стрічка новин "РИА Новости" (Недоступна посилання)
14. ↑ don_beaver - «Релікт» і «COBE»: упущена нобелівка
15. ↑ Джон Мазер: «Учасники" релікти "отримали багато цінних результатів, але наші виявилися краще»
16. ↑ Скулачов Д., Вони були першими.
17. ↑ Офіційний сайт місії Планк ЕКА
18. ↑ Повідомлення на сайті Astronet.ru
19. ↑ WMAP
20. ↑ http://elementy.ru/news/430163 Результати роботи супутника WMAP
21. ↑ Реліктове випромінювання в енциклопедії Кругосвет
22. ↑ Мікрохвильове фонове Випромінювання в фізичної енциклопедії
23. ↑ Wright EL History of the CMB Dipole Anisotropy
24. ↑ Чернин А. Д., Зірки і фізика, М .: Наука, 1984, с. 152-153
25. ↑ Kogut, A .; et al. (1993). "Dipole Anisotropy in the COBE Differential Microwave Radiometers First-Year Sky Maps". Astrophysical Journal . 419: 1-6. DOI : 10.1086 / 173453 . arXiv : astro-ph / 9312056 .
26. ↑ APOD: 2009 September 6 - CMBR Dipole: Speeding Through the Universe
27. ↑ Куди ми рухаємося?
28. ↑ Inoue, KT; Silk, J. (2007). "Local Voids as the Origin of Large-Angle Cosmic Microwave Background Anomalies: The Effect of a Cosmological Constant". Astrophysical Journal . 664 (2): 650-659. DOI : 10.1086 / 517603 . arXiv : astro-ph / 0612347 .
29. ↑ CMB Polarization (неопр.) (Недоступна посилання). Дата звернення 17 листопада 2009. Читальний зал 22 серпня 2011 року.
30. ↑ Lewis, A .; Challinor, A. (2006). "Weak gravitational lensing of the CMB". Physics Reports . 429: 1-65. DOI : 10.1016 / j.physrep.2006.03.002 . arXiv : astro-ph / 0601594 .
31. ↑ Clavin, Whitney. NASA Technology Views Birth of the Universe (Англ.). NASA (17 March 2014 року). Дата обігу 18 березня 2014.
32. ↑ Dennis Overbye [en] . Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang (Англ.). The New York Times (17 March 2014 року). Дата обігу 18 березня 2014.
33. ↑ Джонатан Еймос. Виявлена ​​гравітаційна хвиля Великого вибуху (неопр.). Російська служба Бі-бі-сі (18 березеня 2014 року). Дата обігу 18 березня 2014.
34. ↑ David A. Aguilar, Christine Pulliam. First Direct Evidence of Cosmic Inflation (Англ.). Гарвард-Смітсонівський центр астрофізики (17 March 2014 року). Дата звернення 17 березня 2014.
35. ↑ Іра Соломонова. Майже неймовірно! Фізики вперше довели існування гравітаційних хвиль (неопр.). Швидкий Slon. Slon.ru (17 березня 2014 року). Дата звернення 17 березня 2014.
36. ↑ Іванов Ігор. Нові дані обсерваторії Planck закривають надто оптимістичну інтерпретацію результатів BICEP2 (неопр.). «Елементи.ру» (21 вересня 2014 року).
37. ↑ 1 2 Гобунов Д. С., Рубаков В. А. Введення в теорію ранньому Всесвіті: Космологічні обурення. інфляційна теорія . - М.: КРАСАНД, 2010. - С. 276-277. - 555 с. - ISBN 978-5-396-00046-9 . (Перевірено 17 квітня 2013)
38. ↑ Гобунов Д. С., Рубаков В. А. Введення в теорію ранньому Всесвіті: Теорія гарячого Великого вибуху. - М.: ЛКИ, 2006. - С. 35-36. - 552 с. - ISBN 978-5-382-00657-4 .
39. ↑ Радіотелескоп в Антарктиді зафіксував поляризацію реліктового випромінювання // 21.09.2002
40. ↑ Американський телескоп в Антарктиці вловив перші кванти «луни» Великого вибуху Всесвіту // 28 лютого 2007