Rayonnement CMB. Découverte du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Théorie de l'univers chaud

En 2006, John Mather et George Smoot ont reçu le prix Nobel de physique pour leur découverte du spectre du corps noir et de l'anisotropie du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Ces résultats ont été obtenus à partir de mesures effectuées à l'aide du satellite COBE lancé par la NASA en 1988. Les résultats de J. Mather et J. Smoot ont confirmé l'origine de l'Univers à la suite du Big Bang. La différence extrêmement faible de température du rayonnement de fond cosmique ΔT/T ~ 10 -4 témoigne du mécanisme de formation des galaxies et des étoiles.

J. Mather (né en 1946)

J.Smoot (né en 1945)

Riz. 52. Spectre du corps noir du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes.

Le rayonnement de fond cosmique micro-onde (ou rayonnement de fond cosmique micro-onde) a été découvert en 1965 par A. Penzias et R. Wilson. Aux premiers stades de l’évolution de l’Univers, la matière était à l’état de plasma. Un tel milieu est opaque au rayonnement électromagnétique ; une diffusion intense des photons par les électrons et les protons se produit. Lorsque l'Univers s'est refroidi à 3 000 K, les électrons et les protons se sont unis en atomes d'hydrogène neutres et le milieu est devenu transparent aux photons. À cette époque, l’âge de l’Univers était de 300 000 ans, donc le rayonnement cosmique de fond micro-onde fournit des informations sur l’état de l’Univers à cette époque. A cette époque, l’Univers était pratiquement homogène. Les inhomogénéités de l’Univers sont déterminées par l’inhomogénéité de température du rayonnement de fond cosmique micro-onde. Cette hétérogénéité est ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5. Les inhomogénéités du fond diffus cosmologique sont témoins des inhomogénéités de l'Univers : premières étoiles, galaxies, amas de galaxies. Avec l'expansion de l'Univers, la longueur d'onde du CMB a augmenté Δλ/λ = ΔR/R et actuellement la longueur d'onde du CMB est dans la gamme des ondes radio, la température du CMB est T = 2,7 K.

Riz. 53. Anisotropie du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Les couleurs plus foncées indiquent les zones du spectre CMB qui ont une température plus élevée.

J. Mather : "Au début, il y a eu le Big Bang−c'est ce que nous disons maintenant avec une grande confiance. Le satellite COBE, proposé comme projet en 1974 à l'Agence nationale de l'aéronautique et de l'espace (NASA) et lancé en 1989, a apporté des preuves très solides en faveur de ce phénomène : le rayonnement de fond cosmique micro-onde (CMBR, ou rayonnement de fond cosmique micro-onde) a un spectre corps noir presque idéal avec température
2,725 ±0,001 K, et ce rayonnement est isotrope (le même dans toutes les directions) avec un écart type relatif ne dépassant pas 10 par million à des échelles angulaires de 7° ou plus. Ce rayonnement est interprété comme la trace d’un stade précoce extrêmement chaud et dense de l’évolution de l’Univers. Dans une phase aussi chaude et dense, la création et la destruction des photons, ainsi que l'établissement de l'équilibre entre eux et avec toutes les autres formes de matière et d'énergie, se produiraient très rapidement par rapport à l'échelle de temps caractéristique de l'expansion de l'Univers. . Un tel état produirait immédiatement un rayonnement du corps noir. Un Univers en expansion doit conserver la nature du corps noir de ce spectre, donc mesurer tout écart significatif par rapport au spectre idéal du corps noir invaliderait toute l'idée du Big Bang ou montrerait qu'une certaine énergie a été ajoutée au CMB après l'établissement rapide de l'équilibre. (par exemple, à cause de la désintégration de certaines particules primaires). Le fait que ce rayonnement soit isotrope à un tel degré est la preuve essentielle qu’il provient du Big Bang. »

Riz. 54. Robert Wilson et Arno Penzias à l'antenne où le rayonnement de fond cosmique micro-onde a été détecté.

J.Smoot : "Selon la théorie de l'Univers chaud, le rayonnement de fond cosmique micro-onde est un rayonnement résiduel formé aux premiers stades à haute température de l'évolution de l'Univers à une époque proche du début de l'expansion de l'Univers moderne il y a 13,7 milliards d'années. . Le CMB lui-même peut être utilisé comme un outil puissant pour mesurer la dynamique et la géométrie de l’Univers. Le CMB a été découvert par Penzias et Wilson au Laboratoire. Bella en 1964
Ils ont découvert un rayonnement isotrope persistant avec une température thermodynamique d'environ 3,2 K. Au même moment, des physiciens de Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson et Roll) développaient une expérience pour mesurer le rayonnement de fond cosmique micro-onde prédit par la théorie de l'univers chaud. La découverte accidentelle du rayonnement cosmique de fond micro-onde par Penzias et Wilson a marqué le début d'une nouvelle ère dans la cosmologie, marquant le début de sa transformation du mythe et de la spéculation en un domaine scientifique à part entière.
La découverte de l’anisotropie de température dans le fond diffus cosmologique a révolutionné notre compréhension de l’Univers, et ses recherches modernes continuent de révolutionner la cosmologie. Le tracé du spectre de puissance angulaire des fluctuations de température du CMB avec des plateaux, des pics acoustiques et une queue haute fréquence en déclin a conduit à l'établissement d'un modèle cosmologique standard dans lequel la géométrie de l'espace est plate (correspondant à la densité critique), l'énergie sombre et l'obscurité. la matière domine, et il n'y a qu'un peu de matière ordinaire. Selon ce modèle confirmé avec succès, la structure observée de l’Univers était formée par une instabilité gravitationnelle, qui a amplifié les fluctuations quantiques générées au tout début de l’ère inflationniste. Les observations actuelles et futures testeront ce modèle et identifieront les paramètres cosmologiques clés avec une précision et une signification exceptionnelles. »

Rayonnement CMB

Les observations astronomiques montrent qu'en plus des sources individuelles de rayonnement sous forme d'étoiles et de galaxies, il existe dans l'Univers un rayonnement qui n'est pas divisé en sources individuelles - le rayonnement de fond. On l'observe dans toutes les gammes du spectre électromagnétique. Fondamentalement, le rayonnement de fond est la somme de la lueur de diverses sources (galaxies, quasars, gaz intergalactique), si distantes que les moyens modernes d'observation astronomique ne peuvent pas encore diviser leur rayonnement total en composants individuels (rappelez-vous que la Voie Lactée était considérée comme une bande continue jusqu'à la lumière du XVIIe siècle, et ce n'est qu'en 1610 que Galileo Galilei, l'examinant à l'aide d'un télescope, découvrit qu'elle était constituée d'étoiles individuelles).

En 1965, les ingénieurs radio américains A. Penzias et R. Wilson ont découvert le rayonnement de fond dans la gamme des micro-ondes (longueur d'onde de 300 μm à 50 cm, fréquence de 6 10 8 Hz à 10 12 Hz). À ces fréquences d’ondes électromagnétiques, il n’existe tout simplement aucune source susceptible de produire un rayonnement de fond d’une telle luminosité. Ce rayonnement est très homogène : jusqu’à des millièmes de pour cent, son intensité est constante dans tout le ciel. Notez que plusieurs pour cent de la « neige » qui apparaît sur l’écran du téléviseur sur une chaîne non syntonisée est précisément due au rayonnement de fond des micro-ondes.

La principale propriété du rayonnement de fond micro-ondes est son spectre (c'est-à-dire la distribution de l'intensité en fonction de la fréquence ou de la longueur d'onde), illustré sur la figure 1. 5.1.2. Le spectre de ce rayonnement correspond exactement à la courbe théorique bien connue de la physique : la courbe de Planck. Ce type de spectre est appelé spectre du corps noir. Ce spectre est caractéristique d'une substance chauffée complètement opaque. La température du rayonnement micro-ondes est d'environ 3 K (plus précisément 2,728 K). Il est impossible d’obtenir un spectre de Planck en ajoutant des rayonnements provenant de n’importe quelle source. La confirmation la plus fiable de la nature planckienne du spectre du rayonnement de fond cosmique micro-onde a été obtenue à l'aide du satellite américain COBE (Cosmic Background Explorer) en 1992.

L'équation de la courbe de Planck a la forme

.

(5.1)

Ici ρ ν est la densité spectrale du rayonnement (énergie de rayonnement par unité de volume et par unité d'intervalle de fréquence), ν est la fréquence, h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière, k est la constante de Boltzmann, T est la température de rayonnement.

Le rayonnement micro-onde de l’Univers est autrement appelé rayonnement relique. Ce nom est dû au fait qu'il véhicule des informations sur les conditions physiques qui régnaient dans l'Univers à une époque où les étoiles et les galaxies ne s'étaient pas encore formées. Le fait même de l'existence de ce rayonnement suggère que dans le passé, les propriétés de l'Univers étaient très différentes de celles d'aujourd'hui. Pour étayer cette conclusion, nous présentons la chaîne logique suivante.

1. Puisque le spectre du rayonnement de fond cosmique micro-ondes est le spectre d’un corps complètement noir, ce rayonnement est formé par un corps chauffé complètement opaque.
2. Puisque ce rayonnement nous parvient uniformément de tous les côtés, nous sommes entourés de tous côtés par une sorte de corps opaque.
3. Cependant, l’Univers – dans sa forme moderne – est presque complètement transparent aux ondes radio dans la gamme des micro-ondes (millimètres et centimètres). Par conséquent, la matière émettant ce rayonnement est beaucoup plus éloignée de nous que tout objet observable – galaxies, quasars, etc. En nous rappelant le principe « plus on est loin dans l'espace, plus on est profond dans le temps », nous arrivons à la conclusion que L’Univers était complètement opaque dans un passé profond, lorsque les étoiles et les galaxies ne s’étaient pas encore formées ; et comme c'est opaque, ça veut dire que c'est très dense. Le rayonnement de fond des micro-ondes est un vestige de cette époque lointaine.

Noter que l'homogénéité quasi parfaite de ce rayonnement est le meilleur argument en faveur du principe cosmologique, en faveur de l'homogénéité de l'Univers à grande échelle.

Présentons quelques données quantitatives sur le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Selon la loi de Wien, la température du rayonnement du corps noir avec une longueur d'onde à laquelle se produit l'intensité maximale λ max est calculée par la formule

Pour le rayonnement relique λ max =0,1 cm. L'énergie moyenne d'un quantum de ce rayonnement est d'environ 1,05.10 -22 J. Actuellement, il y a environ 4.10 8 photons reliques dans chaque mètre cube. C'est environ un milliard de fois plus que les particules de matière ordinaire (plus précisément les protons ; nous parlons bien sûr de la densité moyenne).

Modification de la température du rayonnement de fond cosmique micro-ondes au fil du temps

Pour étayer l'hypothèse de Gamow concernant l'état initialement chaud de l'Univers, nous utiliserons des données sur le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Essayons de comprendre quelle était sa température dans le passé. En d’autres termes, découvrons quelle température du rayonnement de fond cosmique micro-onde un observateur dans une galaxie avec redshift z enregistrerait. Pour ce faire, nous utilisons la formule (2.1) λ=λ 0 (1+z), montrant la dépendance de la longueur d'onde de tout rayonnement (y compris le fond micro-onde relique) voyageant dans l'espace intergalactique sur le redshift z, et la loi de Wien (5.2) T·λ max =0,29 Kcm. En combinant ces formules, nous constatons qu'au redshift z, la température du rayonnement CMB T était

T(z)=T0 (1+z),

(5.3)

Où T 0 = 2,728 K est la température actuelle (c'est-à-dire à z = 0). De cette formule, il s’ensuit qu’auparavant la température du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes était plus élevée qu’elle ne l’est aujourd’hui.

Il existe également des confirmations expérimentales directes de ce modèle. Un groupe de scientifiques américains a utilisé le plus grand télescope Keck au monde (à Hawaï) doté d'un miroir d'un diamètre de 10 mètres pour obtenir les spectres de deux quasars avec des redshifts z=1,776 et z=1,973. Comme ces scientifiques l'ont découvert, les raies spectrales de ces objets montrent qu'ils sont irradiés par un rayonnement thermique d'une température de 7,4 ± 0,8 K et 7,9 ± 1,1 K, respectivement, ce qui est en excellent accord avec la température du rayonnement de fond cosmique micro-ondes attendu. de la formule (5.3) : T(1,776) =7,58 K et T(1,973)=8,11 K. En même temps, ces faits fournissent d'ailleurs un argument supplémentaire en faveur du fait que le rayonnement de fond micro-ondes nous parvient de les profondeurs mêmes de l'Univers.

. Gueorgui Antonovitch Gamov (1904-1968).

Plus le Big Bang est proche, plus le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes est chaud. À z~1000 (ce redshift correspond à une époque distante de 300 mille ans du Big Bang), sa température était de T~3000 K, et il y avait environ 4·10 17 photons reliques dans chaque mètre cube. Un rayonnement aussi puissant aurait dû ioniser tout le gaz qui existait à cette époque. Donc, dans le passé lointain de l’Univers, les étoiles ne pouvaient pas exister et toute matière était un plasma dense, chaud et opaque.

C'est cette affirmation qui constitue l'essence de la théorie de l'Univers chaud, dont les bases ont été posées par l'éminent physicien Georgy Antonovich Gamov, né et éduqué dans notre pays, est devenu ici célèbre en tant que physicien, mais a été contraint de émigrer aux États-Unis pendant les années de répression stalinienne. Cette théorie est brièvement discutée dans cette section.

Rayonnement de fond micro-ondes (rayonnement relique)

- espace rayonnement ayant un spectre caractéristique d'une température d'env. ZK ; détermine l'intensité du rayonnement de fond de l'Univers dans la gamme radio à ondes courtes (aux ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques). Il se caractérise par le plus haut degré d'isotropie (l'intensité est presque la même dans toutes les directions). Découverte de M. f. Et. (A. Penzias, R. Wilson, 1965, USA) ont confirmé ce qu'on appelle. , a donné les preuves expérimentales les plus importantes en faveur du concept d'isotropie de l'expansion de l'Univers et de son homogénéité à grande échelle (voir).

Selon le modèle de l'Univers chaud, la matière de l'Univers en expansion avait dans le passé une densité beaucoup plus élevée qu'aujourd'hui et une température extrêmement élevée. À T> 10 8 K primaires, constitués de protons, d'ions hélium et d'électrons, émettant, diffusant et absorbant continuellement des photons, étaient en émission complète. Au cours de l’expansion ultérieure de l’Univers, la température du plasma et du rayonnement ont chuté. L'interaction des particules avec les photons n'a plus eu le temps d'influencer de manière significative le spectre de rayonnement pendant le temps d'expansion caractéristique (l'Univers en termes de bremsstrahlung à cette époque était devenu bien inférieur à l'unité). Cependant, même en l'absence totale d'interaction du rayonnement avec la matière lors de l'expansion de l'Univers, le spectre de rayonnement du corps noir reste celui du corps noir, seule la température du rayonnement diminue. Alors que la température dépassait 4 000 K, la substance primaire était complètement ionisée, la portée des photons d'un événement de diffusion à un autre était bien moindre. À 4 000 K, des protons et des électrons ont été perdus, le plasma s'est transformé en un mélange d'atomes neutres d'hydrogène et d'hélium et l'Univers est devenu complètement transparent au rayonnement. Au cours de son expansion ultérieure, la température du rayonnement a continué à baisser, mais la nature du corps noir du rayonnement a été préservée comme une relique, comme un « souvenir » de la première période de l’évolution du monde. Ce rayonnement a été découvert d'abord à une onde de 7,35 cm, puis à d'autres ondes (de 0,6 mm à 50 cm).

Température de M.f. Et. avec une précision de 10 %, il s'est avéré être égal à 2,7 K. Avg. l'énergie des photons de ce rayonnement est extrêmement faible - 3000 fois inférieure à l'énergie des photons de la lumière visible, mais le nombre de photons est M. f. Et. très grand. Pour chaque atome de l'Univers, il y a ~ 10 9 photons de M.f. Et. (en moyenne 400-500 photons pour 1 cm3).

Parallèlement à la méthode directe de détermination de la température de M. f. Et. - selon la courbe de répartition de l'énergie dans le spectre de rayonnement (voir), il existe également une méthode indirecte - selon la population des niveaux d'énergie inférieurs des molécules dans le milieu interstellaire. Lorsqu'un photon est absorbé par M.f. Et. la molécule se déplace de la base. état dans un état excité. Plus la température de rayonnement est élevée, plus la densité de photons ayant une énergie suffisante pour exciter les molécules est élevée, et plus leur proportion est élevée au niveau excité. Par le nombre de molécules excitées (population de niveaux), on peut juger de la température du rayonnement excitateur. Ainsi, les observations optiques. Les raies d'absorption du cyan interstellaire (CN) montrent que ses niveaux d'énergie inférieurs sont peuplés comme si les molécules de CN se trouvaient dans un champ de rayonnement du corps noir à trois degrés. Ce fait a été établi (mais pas entièrement compris) en 1941, bien avant la découverte de M. f. Et. observations directes.

Ni étoiles ni radiogalaxies, ni intergalactiques chaudes. le gaz, ni la réémission de lumière visible par les poussières interstellaires ne peuvent produire un rayonnement approchant le f magnétique. i. : l'énergie totale de ce rayonnement est trop élevée, et son spectre n'est similaire ni au spectre des étoiles ni au spectre des sources radio (Fig. 1). Ceci, ainsi que l'absence presque totale de fluctuations d'intensité à travers la sphère céleste (fluctuations angulaires à petite échelle), prouve l'origine cosmologique et relique du f magnétique. Et.

Fluctuations de M. f. Et.
Détection de petites différences dans l'intensité de M. f. i., reçus de différentes parties de la sphère céleste, permettrait de tirer un certain nombre de conclusions sur la nature des perturbations primaires de la matière, qui ont ensuite conduit à la formation de galaxies et d'amas de galaxies. Les galaxies modernes et leurs amas se sont formés à la suite de la croissance d'inhomogénéités d'amplitude insignifiantes dans la densité de matière qui existaient avant la recombinaison de l'hydrogène dans l'Univers. Pour tout cosmologique modèle, on peut retrouver la loi de croissance de l'amplitude des inhomogénéités lors de l'expansion de l'Univers. Si vous savez quelles étaient les amplitudes d'inhomogénéité de la substance au moment de la recombinaison, vous pouvez établir combien de temps il leur a fallu pour croître et devenir de l'ordre de l'unité. Après cela, des zones avec une densité nettement supérieure à la moyenne auraient dû se démarquer du fond général en expansion et donner naissance aux galaxies et à leurs amas. Seul un rayonnement relique peut « renseigner » sur l’amplitude des inhomogénéités de densité initiales au moment de la recombinaison. Étant donné qu'avant la recombinaison, le rayonnement était étroitement couplé à la matière (électrons dispersés par des photons), les inhomogénéités dans la répartition spatiale de la matière conduisaient à des inhomogénéités dans la densité d'énergie du rayonnement, c'est-à-dire à des différences dans la température du rayonnement dans les régions de l'Univers de densités différentes. Lorsque, après recombinaison, la substance a cessé d'interagir avec le rayonnement et est devenue transparente pour celui-ci, M. f. Et. aurait dû conserver toutes les informations sur les inhomogénéités de densité dans l'Univers pendant la période de recombinaison. Si des inhomogénéités existaient, alors la température du M.f. Et. doit fluctuer et dépendre de la direction d’observation. Cependant, les expériences visant à détecter les fluctuations attendues ne disposent pas encore d’une précision suffisamment élevée. Ils ne fournissent que des limites supérieures pour les valeurs de fluctuation. Aux petites échelles angulaires (d'une minute d'arc à six degrés d'arc), les fluctuations ne dépassent pas 10 -4 K. La recherche des fluctuations du f magnétique. Et. sont également compliquées par le fait que des éléments cosmiques discrets contribuent aux fluctuations de fond. sources radio, le rayonnement de l'atmosphère terrestre fluctue, etc. Des expériences à grande échelle angulaire ont également montré que la température du M. f. Et. pratiquement indépendant de la direction d'observation : les écarts ne dépassent pas K. Les données obtenues ont permis de réduire de 100 fois l'estimation du degré d'anisotropie de l'expansion de l'Univers par rapport à l'estimation des observations directes de galaxies « diffusantes » .

M. f. Et. comme « nouvel éther ».
M.f. Et. isotrope uniquement dans le système de coordonnées associé aux galaxies « diffusantes », dans ce qu'on appelle. système de référence qui l'accompagne (ce système se développe avec l'Univers). Dans tout autre système de coordonnées, l'intensité du rayonnement dépend de la direction. Ce fait ouvre la possibilité de mesurer la vitesse du Soleil par rapport au système de coordonnées associé au champ magnétique. Et. En effet, du fait de l'effet Doppler, les photons se propageant vers un observateur en mouvement ont une énergie plus élevée que ceux qui le rattrapent, malgré le fait que dans un système associé à f magnétique. c'est-à-dire que leurs énergies sont égales. Par conséquent, la température de rayonnement pour un tel observateur s'avère dépendre de la direction : , où T 0 - mercredi à travers la température de rayonnement du ciel, v- la vitesse de l'observateur, - l'angle entre le vecteur vitesse et la direction d'observation.

L'anisotropie dipolaire du rayonnement de fond cosmique micro-onde, associée au mouvement du système solaire par rapport au champ de ce rayonnement, est désormais bien établie (Fig. 2) : en direction de la constellation du Lion, la température du M.f. Et. est 3,5 mK plus élevé que la moyenne, et dans la direction opposée (la constellation du Verseau) est du même montant inférieur à la moyenne. Par conséquent, le Soleil (avec la Terre) se déplace par rapport à la fonction magnétique. Et. à une vitesse d'env. 400 km/s vers la constellation du Lion. La précision des observations est si élevée que les expérimentateurs enregistrent la vitesse de la Terre autour du Soleil à 30 km/s. La prise en compte de la vitesse de déplacement du Soleil autour du centre de la Galaxie permet de déterminer la vitesse de déplacement de la Galaxie par rapport au f magnétique. Et. C'est 600 km/s. En principe, il existe une méthode qui permet de déterminer les vitesses des amas de galaxies riches par rapport au CMB (voir).

Spectre M. f. Et.
En figue. Le tableau 1 montre les données expérimentales existantes sur M. f. Et. et la courbe de Planck de distribution d'énergie dans le spectre de rayonnement d'équilibre d'un corps absolument noir ayant une température de 2,7 K. Les positions des points expérimentaux sont en bon accord avec celles théoriques. courbé. Cela fournit un support solide pour le modèle Hot Universe.

A noter que dans la gamme des ondes centimétriques et décimétriques, les mesures de la température M. f. Et. possible depuis la surface de la Terre à l'aide de radiotélescopes. Dans le domaine millimétrique et surtout submillimétrique, le rayonnement atmosphérique interfère avec les observations de physique magnétique. c'est-à-dire que les mesures sont effectuées à large bande, montées sur des ballons (cylindres) et des fusées. Des données précieuses sur le spectre de M. f. Et. dans la région millimétrique ont été obtenus à partir d'observations de raies d'absorption de molécules du milieu interstellaire dans les spectres d'étoiles chaudes. Il s'est avéré que le principal contribution à la densité énergétique du M. f. Et. produit un rayonnement de 6 à 0,6 mm dont la température est proche de 3 K. Dans cette gamme de longueurs d'onde, la densité d'énergie du f magnétique. Et. =0,25 eV/cm3 .

Beaucoup de cosmologiques théories et théories de la formation des galaxies, qui considèrent les processus de la matière et de l'antimatière, la dissipation des mouvements potentiels développés à grande échelle, l'évaporation des petites masses primaires, la désintégration des masses instables, prédisent-ils. libération d'énergie dans les premiers stades de l'expansion de l'Univers. Dans le même temps, toute libération d'énergie align="absmiddle" width="127" height="18"> au stade où la température du M.f. Et. variait jusqu'à 3 K, aurait dû sensiblement déformer son spectre de corps noir. Ainsi, le spectre de M. f. Et. contient des informations sur l’histoire thermique de l’Univers. De plus, cette information s'avère différenciée : la libération d'énergie à chacun des trois stades de détente (K ; 3T 4000 K). Il existe très peu de photons aussi énergétiques (~ 10 à 9 de leur nombre total). Par conséquent, le rayonnement de recombinaison résultant de la formation d’atomes neutres aurait dû déformer considérablement le spectre du champ magnétique. Et. à des vagues de 250 microns.

La substance pourrait subir un nouvel échauffement lors de la formation des galaxies. Spectre M. f. Et. en même temps, cela pourrait aussi changer, puisque la diffusion des photons reliques par les électrons chauds augmente l'énergie des photons (voir). Des changements particulièrement forts se produisent dans ce cas dans la région des ondes courtes du spectre. L'une des courbes démontrant une possible distorsion du spectre de M. f. i., montré sur la Fig. 1 (courbe pointillée). Changements disponibles dans le spectre de M. f. Et. ont montré que le réchauffement secondaire de la matière dans l'Univers s'est produit bien plus tard que la recombinaison.

M. f. Et. et les rayons cosmiques.

Cosmique les rayons (protons et noyaux de haute énergie ; électrons ultra-relativistes qui déterminent l'émission radio de notre galaxie et d'autres galaxies de l'ordre du mètre) transportent des informations sur les processus explosifs géants dans les étoiles et les noyaux galactiques, au cours desquels ils naissent. Il s’est avéré que la durée de vie des particules de haute énergie dans l’Univers dépend en grande partie des photons du champ magnétique. c'est-à-dire ayant une faible énergie, mais extrêmement nombreux - il y en a un milliard de fois plus qu'il n'y a d'atomes dans l'Univers (ce rapport est maintenu lors de l'expansion de l'Univers). Dans la collision d'électrons ultrarelativistes, cosmique. rayons avec photons M. f. Et. une redistribution de l’énergie et de l’élan se produit. L'énergie du photon augmente plusieurs fois et le photon radio se transforme en photon à rayons X. rayonnement, l’énergie de l’électron change de manière insignifiante. Au fur et à mesure que ce processus se répète plusieurs fois, l’électron perd progressivement toute son énergie. Observé depuis des satellites et des fusées à rayons X. le rayonnement de fond semble être dû en partie à ce processus.

Les protons et les noyaux d'ultra-hautes énergies sont également soumis à l'influence des photons M. f. i. : lors de leur collision, les noyaux se divisent et les collisions avec les protons conduisent à la naissance de nouvelles particules (paires électron-positron, mésons, etc.). En conséquence, l'énergie des protons diminue rapidement jusqu'au seuil en dessous duquel la naissance de particules devient impossible selon les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. C'est avec ces processus que la pratique absence dans l'espace des rayons de particules d'une énergie de 10 à 20 eV, ainsi qu'un petit nombre de noyaux lourds.

Lit. :
Zeldovich Ya.B., Modèle « chaud » de l'Univers, UFN, 1966, v. 89, v. 4, p. 647 ; Weinberg S., Les trois premières minutes, trad. de l'anglais, M., 1981.

Rayonnement CMB-rayonnement électromagnétique cosmique avec un degré élevé d'isotropie et avec un spectre caractéristique d'un corps absolument noir avec une température ? 2,725 K. Le CMB a été prédit par G. Gamow, R. Alpher et R. Hermann en 1948 sur la base de la première théorie du Big Bang qu'ils ont créée. Alpher et Herman ont pu établir que la température du rayonnement de fond cosmique micro-ondes devrait être de 5 K, et Gamow a fait une prédiction en 3 K. Bien que certaines estimations de la température de l’espace existaient auparavant, elles présentaient plusieurs lacunes. Premièrement, il s’agissait uniquement de mesures de la température effective de l’espace ; on ne supposait pas que le spectre du rayonnement obéissait à la loi de Planck. Deuxièmement, ils dépendaient de notre situation particulière aux confins de la Galaxie et ne supposaient pas que le rayonnement était isotrope. De plus, ils donneraient des résultats complètement différents si la Terre était située ailleurs dans l’Univers. Ni G. Gamow lui-même ni nombre de ses partisans n'ont soulevé la question de la détection expérimentale du rayonnement de fond cosmique micro-onde. Apparemment, ils pensaient que ce rayonnement ne pouvait pas être détecté, car il « se noie » dans les flux d'énergie apportés sur Terre par le rayonnement des étoiles et les rayons cosmiques.

La possibilité de détecter le rayonnement de fond cosmique micro-ondes sur le fond de rayonnement des galaxies et des étoiles dans la région des ondes radio centimétriques a été étayée par les calculs d'A.G. Doroshkevitch et I.D. Novikov, réalisée sur proposition de Ya.B. Zeldovitch en 1964, c'est-à-dire un an avant la découverte de A. Pepzias et R. Wilson.

En 1965, Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson ont construit le radiomètre Dicke, qu'ils avaient l'intention d'utiliser non pas pour rechercher le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, mais pour des expériences de radioastronomie et de communications par satellite. Lors du calibrage de l'appareil, il s'est avéré que l'antenne présentait une surchauffe de 3,5 K qu'ils ne pouvaient pas expliquer. Le léger bruit de fond n'a changé ni par la direction ni par la durée de fonctionnement. Au début, ils ont décidé qu'il s'agissait du bruit inhérent à l'équipement. Le radiotélescope a été démonté et son « rembourrage » a été testé à maintes reprises. La fierté des ingénieurs a été blessée et le contrôle s'est donc poursuivi jusqu'aux moindres détails, jusqu'à la dernière soudure. Tout a été éliminé. Ils l'ont récupéré à nouveau - le bruit a repris. Après de longues délibérations, les théoriciens sont arrivés à la conclusion que ce rayonnement ne pouvait être rien de plus qu'un fond constant d'émission radio cosmique remplissant l'Univers en un flux constant. Recevant un appel de Holdmdale, Dicke a plaisanté : « Nous avons décroché le jackpot, les garçons. » Une réunion entre les équipes de Princeton et Holmdale a déterminé que la température de l'antenne était causée par le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Les astrophysiciens ont calculé que le bruit correspond à une température d’environ 3 degrés Kelvin et est « audible à diverses fréquences ». En 1978, Penzias et Wilson reçurent le prix Nobel pour leur découverte. On imagine à quel point les partisans du modèle « chaud » se sont réjouis lorsque ce message est arrivé. Cette découverte n’a pas seulement renforcé la position du modèle « chaud ». Le rayonnement relique a permis de descendre du pas de temps des quasars (8 à 10 milliards d'années) à un pas correspondant à 300 mille ans dès le « début ». Dans le même temps, l'idée a été confirmée selon laquelle l'Univers avait autrefois une densité un milliard de fois supérieure à celle d'aujourd'hui. On sait que la matière chauffée émet toujours des photons. Selon les lois générales de la thermodynamique, cela manifeste le désir d'un état d'équilibre dans lequel la saturation est atteinte : la naissance de nouveaux photons est compensée par le processus inverse, l'absorption des photons par la matière, de sorte que le nombre total de photons dans la matière le milieu ne change pas. Ce « gaz photonique » remplit uniformément l’Univers entier. La température du gaz photonique est proche du zéro absolu - environ 3 Kelvin, mais l'énergie qu'il contient est supérieure à l'énergie lumineuse émise par toutes les étoiles au cours de leur vie. Pour chaque centimètre cube d'espace dans l'Univers, il y a environ cinq cents quanta de rayonnement, et le nombre total de photons dans l'Univers visible est plusieurs milliards de fois supérieur au nombre total de particules de matière, c'est-à-dire atomes, noyaux, électrons qui composent les planètes, les étoiles et les galaxies. Ce rayonnement de fond général de l'Univers est appelé d'une main légère par I.S. Shklovsky, relique, c'est-à-dire résiduel, qui est un vestige, une relique de l’état initial dense et chaud de l’Univers. En supposant que la question de l’Univers primitif était brûlante, G. Gamow a prédit que les photons, qui étaient alors en équilibre thermodynamique avec la matière, devraient persister jusqu'à l'ère moderne. Ces photons ont été détectés directement en 1965. Après avoir connu une expansion générale et un refroidissement associé, le gaz de photons forme désormais le rayonnement de fond de l'Univers, qui nous parvient uniformément de tous les côtés. Le quantum du fond cosmique des micro-ondes n’a pas de masse au repos, comme tout quantum de rayonnement électromagnétique, mais a de l’énergie, et donc, selon la célèbre formule d’Einstein E=Mme ?, et la masse correspondant à cette énergie. Pour la plupart des quanta reliques, cette masse est très petite : bien inférieure à la masse d’un atome d’hydrogène, l’élément le plus commun des étoiles et des galaxies. Par conséquent, malgré la prédominance significative du nombre de particules, le rayonnement de fond cosmique micro-onde est inférieur aux étoiles et aux galaxies en termes de contribution à la masse totale de l'Univers. À l'ère moderne, la densité de rayonnement est de 3 * 10 -34 g/cm 3, soit environ mille fois inférieure à la densité moyenne de matière dans les galaxies. Mais cela n'a pas toujours été le cas : dans le passé lointain de l'Univers, les photons contribuaient principalement à sa densité. Le fait est que lors de l’expansion cosmologique, la densité de rayonnement diminue plus rapidement que la densité de matière. Dans ce processus, non seulement la concentration de photons diminue (au même rythme que la concentration de particules), mais l'énergie moyenne d'un photon diminue également, puisque la température du gaz des photons diminue lors de l'expansion. Au cours de l’expansion ultérieure de l’Univers, la température du plasma et du rayonnement ont chuté. L'interaction des particules avec les photons n'avait plus le temps d'influencer significativement le spectre d'émission pendant le temps d'expansion caractéristique. Cependant, même en l’absence totale d’interaction entre le rayonnement et la matière au cours de l’expansion de l’Univers, le spectre du rayonnement du corps noir reste celui du corps noir, seule la température du rayonnement diminue ; Alors que la température dépassait 4000 K, la matière primaire était complètement ionisée, la portée des photons d'un événement de diffusion à un autre était bien inférieure à l'horizon de l'Univers. À T ? 4000K les protons et les électrons se sont recombinés, le plasma s'est transformé en un mélange d'atomes neutres d'hydrogène et d'hélium et l'Univers est devenu complètement transparent au rayonnement. Au cours de son expansion ultérieure, la température du rayonnement a continué à baisser, mais la nature du corps noir du rayonnement a été préservée comme une relique, comme un « souvenir » de la première période de l’évolution du monde. Ce rayonnement a été découvert d'abord à une onde de 7,35 cm, puis à d'autres ondes (de 0,6 mm à 50 cm).

Ni les étoiles et les radiogalaxies, ni les gaz intergalactiques chauds, ni la réémission de lumière visible par les poussières interstellaires ne peuvent produire un rayonnement approchant les propriétés du rayonnement de fond micro-onde : l'énergie totale de ce rayonnement est trop élevée, et son spectre n'est pas similaire à celui des micro-ondes. soit le spectre des étoiles, soit le spectre des sources radio. Ceci, ainsi que l'absence presque totale de fluctuations d'intensité à travers la sphère céleste (fluctuations angulaires à petite échelle), prouve l'origine cosmologique et relique du rayonnement de fond micro-ondes.

Le rayonnement de fond n'est isotrope que dans le système de coordonnées associé aux galaxies « diffusantes », dans ce qu'on appelle. système de référence qui l'accompagne (ce système se développe avec l'Univers). Dans tout autre système de coordonnées, l'intensité du rayonnement dépend de la direction. Ce fait ouvre la possibilité de mesurer la vitesse du Soleil par rapport au système de coordonnées associé au rayonnement de fond micro-ondes. En effet, du fait de l'effet Doppler, les photons se propageant vers un observateur en mouvement ont une énergie plus élevée que ceux qui le rattrapent, malgré le fait que dans un système associé à m.f. c'est-à-dire que leurs énergies sont égales. Par conséquent, la température de rayonnement pour un tel observateur s’avère dépendre de la direction. L'anisotropie dipolaire du rayonnement de fond cosmique micro-onde, associée au mouvement du système solaire par rapport au champ de ce rayonnement, est désormais solidement établie : en direction de la constellation du Lion, la température du rayonnement relique est 3,5 mK plus élevée. que la moyenne, et dans la direction opposée (la constellation du Verseau) c'est le même montant en dessous de la moyenne . Par conséquent, le Soleil (avec la Terre) se déplace par rapport à la m.f. Et. à une vitesse d'environ 400 km/s vers la constellation du Lion. La précision des observations est si élevée que les expérimentateurs enregistrent la vitesse de la Terre autour du Soleil à 30 km/s. La prise en compte de la vitesse du Soleil autour du centre de la Galaxie permet de déterminer la vitesse de la Galaxie par rapport au rayonnement de fond. Elle est d'environ 600 km/s. Le spectrophotomètre de rayonnement infrarouge lointain (FIRAS) du satellite Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA a effectué des mesures précises du spectre du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Ces mesures étaient les mesures les plus précises du spectre du corps noir à ce jour. La carte la plus détaillée du rayonnement de fond cosmique micro-ondes a été construite grâce aux travaux du vaisseau spatial américain WMAP.

Le spectre du rayonnement de fond cosmique micro-onde remplissant l'Univers correspond au spectre du rayonnement d'un corps absolument noir avec une température de 2,725. K. Son maximum se produit à une fréquence de 160,4 GHz, ce qui correspond à une longueur d'onde de 1,9 mm. Il est isotrope à 0,001 % près - l'écart type de température est d'environ 18 μK. Cette valeur ne prend pas en compte l'anisotropie dipolaire (la différence entre la région la plus froide et la région la plus chaude est de 6,706 mK) provoquée par le décalage de fréquence Doppler du rayonnement dû à notre propre vitesse par rapport au système de coordonnées associé au CMB. L'anisotropie dipolaire correspond au mouvement du système solaire vers la constellation de la Vierge à une vitesse de ? 370 km/s.

Rayonnement CMB

Le rayonnement de fond extragalactique des micro-ondes se produit dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 500 GHz, correspondant à des longueurs d'onde de 60 cm à 0,6 mm. Ce rayonnement de fond transporte des informations sur les processus qui ont eu lieu dans l'Univers avant la formation des galaxies, des quasars et d'autres objets. Ce rayonnement, appelé rayonnement de fond cosmique micro-ondes, a été découvert en 1965, bien qu'il ait été prédit dans les années 40 par George Gamow et étudié par les astronomes depuis des décennies.

Dans un Univers en expansion, la densité moyenne de matière dépend du temps : elle était autrefois plus élevée. Cependant, au cours de l'expansion, non seulement la densité, mais aussi l'énergie thermique de la substance changent, ce qui signifie qu'au début de l'expansion, l'Univers était non seulement dense, mais aussi chaud. En conséquence, il devrait y avoir à notre époque un rayonnement résiduel dont le spectre est le même que celui d'un corps absolument solide, et ce rayonnement devrait être hautement isotrope. En 1964, A.A. Penzias et R. Wilson, testant une antenne radio sensible, ont découvert un rayonnement micro-ondes de fond très faible, dont ils ne pouvaient en aucun cas se débarrasser. Sa température s'est avérée être de 2,73 K, ce qui est proche de la valeur prédite. Des expériences d'isotropie ont montré que la source du rayonnement de fond micro-ondes ne peut pas être localisée à l'intérieur de la Galaxie, car on devrait alors observer une concentration de rayonnement vers le centre de la Galaxie. La source de rayonnement n'a pas pu être localisée à l'intérieur du système solaire, car Il y aurait une variation quotidienne de l’intensité du rayonnement. De ce fait, une conclusion a été tirée sur la nature extragalactique de ce rayonnement de fond. Ainsi, l’hypothèse d’un Univers chaud a reçu une base observationnelle.

Pour comprendre la nature du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, il est nécessaire de se tourner vers les processus qui ont eu lieu aux premiers stades de l’expansion de l’Univers. Considérons comment les conditions physiques de l'Univers ont changé au cours du processus d'expansion.

Désormais, chaque centimètre cube d'espace contient environ 500 photons reliques, et il y a beaucoup moins de matière par volume. Étant donné que le rapport entre le nombre de photons et le nombre de baryons lors de l'expansion est maintenu, mais que l'énergie des photons lors de l'expansion de l'Univers diminue avec le temps en raison du décalage vers le rouge, nous pouvons conclure qu'à un moment donné dans le passé, l'énergie La densité du rayonnement était supérieure à la densité énergétique des particules de matière. Cette période est appelée l’étape de rayonnement dans l’évolution de l’Univers. L'étape de rayonnement était caractérisée par l'égalité de température de la substance et du rayonnement. À cette époque, les radiations déterminaient complètement la nature de l’expansion de l’Univers. Environ un million d'années après le début de l'expansion de l'Univers, la température a chuté à plusieurs milliers de degrés et une recombinaison d'électrons, auparavant des particules libres, a eu lieu avec des protons et des noyaux d'hélium, c'est-à-dire formation d'atomes. L’Univers est devenu transparent au rayonnement, et c’est ce rayonnement que nous détectons désormais et appelons rayonnement relique. Certes, depuis lors, en raison de l’expansion de l’Univers, les photons ont diminué leur énergie d’environ 100 fois. Au sens figuré, les quanta du fond cosmique des micro-ondes ont « imprimé » l’ère de la recombinaison et véhiculent des informations directes sur un passé lointain.

Après la recombinaison, la matière a commencé à évoluer indépendamment pour la première fois, indépendamment du rayonnement, et des densités ont commencé à y apparaître - les embryons des futures galaxies et leurs amas. C’est pourquoi les expériences visant à étudier les propriétés du rayonnement cosmique de fond micro-onde – son spectre et ses fluctuations spatiales – sont si importantes pour les scientifiques. Leurs efforts n’ont pas été vains : au début des années 90. L'expérience spatiale russe Relikt-2 et l'américain Kobe ont découvert des différences dans la température du rayonnement de fond cosmique micro-ondes des zones voisines du ciel, et l'écart par rapport à la température moyenne n'est que d'environ un millième de pour cent. Ces variations de température contiennent des informations sur l'écart de la densité de matière par rapport à la valeur moyenne au cours de l'époque de recombinaison. Après la recombinaison, la matière dans l'Univers était répartie presque uniformément, et là où la densité était au moins légèrement supérieure à la moyenne, l'attraction était plus forte. Ce sont les variations de densité qui ont ensuite conduit à la formation de structures à grande échelle, d’amas de galaxies et de galaxies individuelles observées dans l’Univers. Selon les idées modernes, les premières galaxies auraient dû se former à une époque correspondant à des redshifts de 4 à 8.

Y a-t-il une chance de regarder encore plus loin dans l’époque précédant la recombinaison ? Jusqu'au moment de la recombinaison, c'était la pression du rayonnement électromagnétique qui créait principalement le champ gravitationnel qui ralentissait l'expansion de l'Univers. A ce stade, la température variait en proportion inverse de la racine carrée du temps écoulé depuis le début de l'expansion. Considérons successivement les différentes étapes d'expansion de l'Univers primitif.

À une température d'environ 1013 Kelvin, des paires de particules et antiparticules diverses sont nées et annihilées dans l'Univers : protons, neutrons, mésons, électrons, neutrinos, etc. Lorsque la température est tombée à 5*1012 K, presque tous les protons et neutrons étaient anéanti, se transformant en quanta de rayonnement ; Il ne restait que celles pour lesquelles il n’y avait « pas assez » d’antiparticules. C’est de ces protons et neutrons « excédentaires » que consiste principalement la matière de l’Univers observable moderne.

À T = 2*1010 K, les neutrinos pénétrants ont cessé d'interagir avec la matière - à partir de ce moment, un « fond de neutrinos reliques » aurait dû subsister, qui pourra peut-être être détecté lors de futures expériences sur les neutrinos.

Tout ce qui vient d'être évoqué s'est produit à des températures ultra-élevées dans la première seconde qui a suivi le début de l'expansion de l'Univers. Quelques secondes après la « naissance » de l'Univers, commence l'ère de la nucléosynthèse primaire, lorsque se forment des noyaux de deutérium, d'hélium, de lithium et de béryllium. Cela a duré environ trois minutes et a eu pour principal résultat la formation de noyaux d'hélium (25 % de la masse de toute la matière de l'Univers). Les éléments restants, plus lourds que l'hélium, constituaient une partie négligeable de la substance - environ 0,01 %.

Après l'ère de la nucléosynthèse et avant l'ère de la recombinaison (environ 106 ans), une expansion et un refroidissement silencieux de l'Univers se sont produits, puis - des centaines de millions d'années après le début - les premières galaxies et étoiles sont apparues.

Au cours des dernières décennies, le développement de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires a permis d’envisager théoriquement la toute première période « superdense » de l’expansion de l’Univers. Il s'avère qu'au tout début de l'expansion, lorsque la température était incroyablement élevée (plus de 1028 K), l'Univers pourrait être dans un état particulier dans lequel il se dilatait avec accélération et l'énergie par unité de volume restait constante. Cette étape d’expansion était qualifiée d’inflationniste. Un tel état de la matière est possible à une condition : une pression négative. La phase d’expansion inflationniste ultra-rapide a duré une infime période de temps : elle s’est terminée entre 10 et 36 secondes environ. On pense que la véritable « naissance » des particules élémentaires de matière sous la forme sous laquelle nous les connaissons aujourd’hui s’est produite juste après la fin de la phase inflationniste et a été provoquée par la désintégration d’un champ hypothétique. Après cela, l’expansion de l’Univers s’est poursuivie par inertie.

L'hypothèse de l'univers inflationniste répond à un certain nombre de questions importantes en cosmologie qui, jusqu'à récemment, étaient considérées comme des paradoxes inexplicables, en particulier la question de la cause de l'expansion de l'univers. Si dans son histoire l'Univers a réellement traversé une époque où il y avait une forte pression négative, alors la gravité aurait inévitablement dû provoquer non pas une attraction, mais une répulsion mutuelle des particules matérielles. Et cela signifie que l'Univers a commencé à se développer rapidement et de manière explosive. Bien entendu, le modèle de l’Univers inflationniste n’est qu’une hypothèse : même une vérification indirecte de ses dispositions nécessite des instruments qui n’ont tout simplement pas encore été créés. Cependant, l'idée de l'expansion accélérée de l'Univers au tout début de son évolution est devenue fermement ancrée dans la cosmologie moderne.

En parlant de l’Univers primitif, nous sommes soudainement transportés des plus grandes échelles cosmiques vers la région du micromonde, décrite par les lois de la mécanique quantique. La physique des particules élémentaires et des ultra-hautes énergies est étroitement liée en cosmologie à la physique des systèmes astronomiques géants. Les plus grands et les plus petits sont ici reliés les uns aux autres. C’est l’incroyable beauté de notre monde, plein de connexions inattendues et d’unité profonde.

Les manifestations de la vie sur Terre sont extrêmement diverses. La vie sur Terre est représentée par des créatures nucléaires et prénucléaires, unicellulaires et multicellulaires ; les multicellulaires, quant à eux, sont représentés par des champignons, des plantes et des animaux. Chacun de ces royaumes regroupe différents types, classes, ordres, familles, genres, espèces, populations et individus.

Dans toute la diversité apparemment infinie du vivant, on peut distinguer plusieurs niveaux d'organisation du vivant : moléculaire, cellulaire, tissulaire, organe, havegénétique, population, espèce, biogéocénotique, biosphère. Les niveaux répertoriés sont mis en évidence pour faciliter l’étude. Si nous essayons d'identifier les principaux niveaux, reflétant moins les niveaux d'étude que les niveaux d'organisation de la vie sur Terre, alors les principaux critères d'une telle identification devraient être la présence de structures élémentaires et discrètes spécifiques et de phénomènes élémentaires. Avec cette approche, il s'avère nécessaire et suffisant de distinguer les niveaux de génétique moléculaire, d'ontogenèse, de population-espèce et de biogéocénotique (N.V. Timofeev-Resovsky et autres).

Niveau génétique moléculaire. Lors de l'étude de ce niveau, apparemment, la plus grande clarté a été obtenue dans la définition des concepts de base, ainsi que dans l'identification des structures et phénomènes élémentaires. Le développement de la théorie chromosomique de l'hérédité, l'analyse du processus de mutation et l'étude de la structure des chromosomes, des phages et des virus ont révélé les principales caractéristiques de l'organisation des structures génétiques élémentaires et des phénomènes associés. On sait que les principales structures à ce niveau (codes d'informations héréditaires transmises de génération en génération) sont des ADN différenciés par leur longueur en éléments de code - des triplets de bases azotées qui forment des gènes.

Les gènes à ce niveau d’organisation de la vie représentent des unités élémentaires. Les principaux phénomènes élémentaires associés aux gènes peuvent être considérés comme leurs changements structurels locaux (mutations) et le transfert des informations qui y sont stockées vers des systèmes de contrôle intracellulaires.

La reduplication convariante se produit selon le principe de la matrice en rompant les liaisons hydrogène de la double hélice de l'ADN avec la participation de l'enzyme ADN polymérase. Ensuite, chacun des brins construit un brin correspondant, après quoi les nouveaux brins sont reliés de manière complémentaire les uns aux autres. Les bases pyrimidine et purine des brins complémentaires sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène par l'ADN polymérase. Ce processus est effectué très rapidement. Ainsi, l'auto-assemblage de l'ADN d'Escherichia coli, constitué d'environ 40 000 paires de nucléotides, ne nécessite que 100 s. L'information génétique est transférée du noyau par les molécules d'ARNm vers le cytoplasme jusqu'aux ribosomes et participe là à la synthèse des protéines. Une protéine contenant des milliers d’acides aminés est synthétisée dans une cellule vivante en 5 à 6 minutes, et plus rapidement dans une bactérie.

Les principaux systèmes de contrôle, tant lors de la reduplication convariante que lors du transfert d'informations intracellulaire, utilisent le « principe matriciel », c'est-à-dire sont des matrices à côté desquelles sont construites les macromolécules spécifiques correspondantes. Actuellement, le code intégré dans la structure des acides nucléiques, qui sert de matrice pour la synthèse de structures protéiques spécifiques dans les cellules, est en train d'être déchiffré avec succès. La réduplication, basée sur la copie matricielle, préserve non seulement la norme génétique, mais également les écarts par rapport à celle-ci, c'est-à-dire mutations (la base du processus évolutif). Une connaissance suffisamment précise du niveau génétique moléculaire est une condition préalable nécessaire pour une compréhension claire des phénomènes vitaux se produisant à tous les autres niveaux de l'organisation de la vie.