radiația CMB. Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde. Teoria Universului fierbinte

În 2006, John Mather și George Smoot au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea spectrului corpului negru și a anizotropiei radiației cosmice de fond cu microunde. Aceste rezultate au fost obținute pe baza măsurătorilor efectuate cu ajutorul satelitului COBE lansat de NASA în 1988. Rezultatele lui J. Mather și J. Smoot au confirmat originea Universului ca urmare a Big Bang-ului. Diferența extrem de mică de temperatură a radiației cosmice de fond ΔT/T ~ 10 -4 este o dovadă a mecanismului de formare a galaxiilor și stelelor.

J. Mather (n. 1946)

J. Smoot (n. 1945)

Orez. 52. Spectrul corpului negru al radiației cosmice de fond cu microunde.

Radiația cosmică de fond cu microunde (sau radiația cosmică de fond cu microunde) a fost descoperită în 1965 de A. Penzias și R. Wilson. Într-un stadiu incipient al evoluției Universului, materia se afla într-o stare de plasmă. Un astfel de mediu este opac la radiația electromagnetică are loc o împrăștiere intensă a fotonilor de către electroni și protoni. Când Universul s-a răcit la 3000 K, electronii și protonii s-au unit în atomi de hidrogen neutri și mediul a devenit transparent pentru fotoni. În acest moment, vârsta Universului era de 300.000 de ani, așa că radiația cosmică de fond cu microunde oferă informații despre starea Universului în această eră. În acest moment, Universul era practic omogen. Neomogenitățile Universului sunt determinate de neomogenitatea temperaturii radiației cosmice de fond cu microunde. Această eterogenitate este ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5. Neomogenitățile radiației cosmice de fond cu microunde sunt martori ale neomogenităților Universului: primele stele, galaxii, clustere de galaxii. Odată cu expansiunea Universului, lungimea de undă a CMB a crescut Δλ/λ = ΔR/R și în prezent lungimea de undă a CMB este în domeniul undelor radio, temperatura CMB este T = 2,7 K.

Orez. 53. Anizotropia radiației cosmice de fond cu microunde. Culorile mai închise indică zone din spectrul CMB care au o temperatură mai mare.

J. Mather: „La început a fost Big Bang-ul−așa că spunem acum cu mare încredere. Satelitul COBE, propus ca proiect în 1974 Agenției Naționale de Aeronautică și Spațială (NASA) și lansat în 1989, a oferit dovezi foarte puternice în favoarea acestui fapt: radiația cosmică de fond cu microunde (CMBR, sau radiația cosmică de fond cu microunde) are o spectru aproape perfect corpul negru cu temperatura
2,725 ± 0,001 K, iar această radiație este izotropă (aceeași în toate direcțiile) cu o abatere standard relativă de cel mult 10 per milion la scale unghiulare de 7° sau mai mult. Această radiație este interpretată ca o urmă a unui stadiu incipient extrem de cald și dens al evoluției Universului. Într-o fază atât de fierbinte și densă, crearea și distrugerea fotonilor, precum și stabilirea echilibrului între aceștia și cu toate celelalte forme de materie și energie, ar avea loc foarte repede în comparație cu scara de timp caracteristică expansiunii Universului. . O astfel de stare ar produce imediat radiații de corp negru. Un Univers în expansiune trebuie să păstreze natura de corp negru a acestui spectru, astfel încât măsurarea oricărei abateri semnificative de la spectrul ideal de corp negru ar invalida întreaga idee Big Bang, fie ar arăta că o anumită energie a fost adăugată la CMB după stabilirea rapidă a echilibrului. (de exemplu, din degradarea unor particule primare). Faptul că această radiație este izotropă într-un grad atât de mare este o dovadă cheie că provine din Big Bang".

Orez. 54. Robert Wilson și Arno Penzias la antena unde a fost înregistrată radiația cosmică de fond cu microunde.

J. Smoot: „Conform teoriei Universului fierbinte, radiația cosmică de fond cu microunde este radiație reziduală formată în primele etape de temperatură înaltă ale evoluției Universului într-un moment apropiat de începutul expansiunii Universului modern, acum 13,7 miliarde de ani. . CMB în sine poate fi folosit ca un instrument puternic pentru măsurarea dinamicii și geometriei Universului. CMB a fost descoperit de Penzias și Wilson la Laborator. Bella în 1964
Ei au descoperit radiații izotrope persistente cu o temperatură termodinamică de aproximativ 3,2 K. În același timp, fizicienii de la Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson și Roll) dezvoltau un experiment pentru a măsura radiația cosmică de fond cu microunde prezisă de teoria universului fierbinte. Descoperirea accidentală a radiației cosmice de fond cu microunde de către Penzias și Wilson a inaugurat o nouă eră în cosmologie, marcând începutul transformării acesteia din mit și speculație într-un domeniu științific cu drepturi depline.
Descoperirea anizotropiei temperaturii în fundalul cosmic cu microunde a revoluționat înțelegerea noastră asupra Universului, iar cercetările sale moderne continuă să revoluționeze cosmologia. Trasarea spectrului de putere unghiulară a fluctuațiilor de temperatură CMB cu platouri, vârfuri acustice și o coadă de înaltă frecvență în descompunere a condus la stabilirea unui model cosmologic standard în care geometria spațiului este plată (corespunzând densității critice), energie întunecată și întuneric. materia domină și există doar puțină materie obișnuită. Conform acestui model confirmat cu succes, structura observată a Universului a fost formată din instabilitatea gravitațională, care a amplificat fluctuațiile cuantice generate în era inflaționistă foarte timpurie. Observațiile actuale și viitoare vor testa acest model și vor identifica parametrii cosmologici cheie cu o precizie și o semnificație remarcabile.”

radiația CMB

Observațiile astronomice arată că, pe lângă sursele individuale de radiații sub formă de stele și galaxii, există radiații în Univers care nu sunt împărțite în surse individuale - radiația de fond. Se observă în toate domeniile spectrului electromagnetic. Practic, radiația de fond este suma luminiscenței diferitelor surse (galaxii, quasari, gaz intergalactic), atât de îndepărtate încât mijloacele moderne de observații astronomice nu pot încă împărți radiația lor totală în componente individuale (amintim că Calea Lactee era considerată o bandă continuă până în lumina secolului al XVII-lea și abia în 1610 Galileo Galilei, examinând-o cu ajutorul unui telescop, a descoperit că era compusă din stele individuale).

În 1965, inginerii radio americani A. Penzias și R. Wilson au descoperit radiația de fond în domeniul microundelor (lungime de undă de la 300 μm la 50 cm, frecvență de la 6 10 8 Hz la 10 12 Hz). La aceste frecvențe ale undelor electromagnetice pur și simplu nu există surse care ar putea produce radiații de fundal cu o asemenea luminozitate. Această radiație este foarte omogenă: până la miimi de procent, intensitatea ei este constantă pe tot cerul. Rețineți că câteva procente din „zăpada” care apare pe ecranul televizorului pe un canal neacordat se datorează tocmai radiației de fundal cu microunde.

Proprietatea principală a radiației de fond cu microunde este spectrul său (adică, distribuția intensității în funcție de frecvență sau lungime de undă), prezentată în Fig. 5.1.2. Spectrul acestei radiații se potrivește exact curbei teoretice, binecunoscută fizicii - curba Planck. Acest tip de spectru se numește spectrul corpului negru. Acest spectru este caracteristic unei substanțe încălzite complet opace. Temperatura radiației cu microunde este de aproximativ 3 K (mai precis, 2,728 K). Este imposibil să se obțină un spectru Planck prin adăugarea de radiații din orice sursă. Cea mai sigură confirmare a naturii planckiene a spectrului radiației cosmice de fond cu microunde a fost obținută folosind satelitul american COBE (Cosmic Background Explorer) în 1992.

Ecuația curbei Planck are forma

.

(5.1)

Aici ρ ν este densitatea spectrală a radiației (energia radiației pe unitate de volum și per unitate de interval de frecvență), ν este frecvența, h este constanta lui Planck, c este viteza luminii, k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura radiației.

Radiația cu microunde din Univers este altfel numită radiație relictă. Acest nume se datorează faptului că poartă informații despre condițiile fizice care domneau în Univers într-o perioadă în care stelele și galaxiile nu se formaseră încă. Faptul însuși al existenței acestei radiații sugerează că în trecut proprietățile Universului erau semnificativ diferite decât în ​​prezent. Pentru a fundamenta această concluzie, prezentăm următorul lanț logic.

1. Deoarece spectrul radiației cosmice de fond cu microunde este spectrul unui corp complet negru, această radiație este formată dintr-un corp încălzit complet opac.
2. Deoarece această radiație ne vine uniform din toate părțile, suntem înconjurați din toate părțile de un fel de corp opac.
3. Cu toate acestea, Universul - în forma sa modernă - este aproape complet transparent la undele radio în intervalul de microunde (milimetru și centimetru). Prin urmare, materia care emite această radiație este mult mai departe de noi decât orice obiect observabil - galaxii, quasari etc. Amintindu-ne de principiul „cu cât mai departe în spațiu, cu atât mai adânc în timp”, ajungem la concluzia că Universul era complet opac în trecutul profund, când stelele și galaxiile nu se formaseră încă; și din moment ce este opac, înseamnă că este foarte dens. Radiația de fundal cu microunde este o relicvă rămasă din acea epocă îndepărtată.

Rețineți că omogenitatea aproape perfectă a acestei radiații este cel mai bun argument în favoarea principiului cosmologic, în favoarea omogenității Universului la scară largă.

Să prezentăm câteva date cantitative despre radiația cosmică de fond cu microunde. Conform legii lui Wien, temperatura radiației corpului negru cu o lungime de undă la care apare intensitatea maximă λ max este calculată prin formula

Pentru radiația relictă λ max = 0,1 cm Energia medie a unui cuantum al acestei radiații este de aproximativ 1,05·10 -22 J. În prezent, există aproximativ 4·10 8 fotoni relicte în fiecare metru cub. Aceasta este de aproximativ un miliard de ori mai mult decât particulele de materie obișnuită (mai precis, protoni; ne referim, desigur, la densitatea medie).

Modificarea temperaturii radiației cosmice de fond cu microunde în timp

Pentru a fundamenta ipoteza lui Gamow despre starea inițială fierbinte a Universului, vom folosi date despre radiația cosmică de fond cu microunde. Să încercăm să înțelegem care era temperatura lui în trecut. Cu alte cuvinte, să aflăm ce temperatură a radiației cosmice de fond cu microunde ar înregistra un observator dintr-o galaxie cu deplasare spre roșu z. Pentru a face acest lucru, folosim formula (2.1) λ=λ 0 (1+z), care arată dependența lungimii de undă a oricărei radiații (inclusiv fondul de microunde relicte) care călătorește în spațiul intergalactic pe deplasarea spre roșu z și legea lui Wien (5.2) T·λ max =0,29 K cm. Combinând aceste formule, aflăm că la deplasarea spre roșu z temperatura radiației CMB T a fost

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

(5.3)

Unde T 0 =2,728 K este temperatura curentă (adică la z=0). Din această formulă rezultă că anterior temperatura radiației cosmice de fond cu microunde era mai mare decât este acum.

Există, de asemenea, confirmări experimentale directe ale acestui model. Un grup de oameni de știință americani a folosit cel mai mare telescop Keck din lume (din Hawaii) cu o oglindă cu un diametru de 10 metri pentru a obține spectre a doi quasari cu deplasări spre roșu z=1,776 și z=1,973. După cum au descoperit acești oameni de știință, liniile spectrale ale acestor obiecte arată că ele sunt iradiate cu radiații termice cu o temperatură de 7,4 ± 0,8 K și, respectiv, 7,9 ± 1,1 K, ceea ce este în acord excelent cu temperatura așteptată a radiației cosmice de fond cu microunde. din formula (5.3): T(1.776) =7.58 K și T(1.973)=8.11 K. În același timp, apropo, aceste fapte oferă un argument suplimentar în favoarea faptului că radiația de fond cu microunde ne vine din chiar adâncurile Universului.

. Gheorghi Antonovici Gamov (1904-1968).

Cu cât este mai aproape de Big Bang, cu atât radiația cosmică de fond cu microunde este mai fierbinte. La z~1000 (această deplasare spre roșu corespunde unei epoci la 300 de mii de ani distanță de Big Bang), temperatura sa era T~3000 K și erau aproximativ 4·10 17 fotoni relicte în fiecare metru cub. O radiație atât de puternică ar fi trebuit să ionizeze tot gazul care exista la acea vreme. Asa de, în trecutul îndepărtat al Universului, stelele nu puteau exista și toată materia era o plasmă densă, fierbinte, opac..

Această afirmație formează esența teoriei Universului fierbinte, ale cărei baze au fost puse de remarcabilul fizician Georgy Antonovich Gamov, care s-a născut și a educat în țara noastră, a devenit faimos ca fizician aici, dar a fost forțat să emigrează în SUA în anii represiunii staliniste. Această teorie este discutată pe scurt în această secțiune.

Radiații de fundal cu microunde (radiații relicte)

- spatiu radiații având un spectru caracteristic unei temperaturi de cca. ZK; determină intensitatea radiației de fond a Universului în domeniul radio cu unde scurte (la unde centimetrice, milimetrice și submilimetrice). Se caracterizează prin cel mai înalt grad de izotropie (intensitatea este aproape aceeași în toate direcțiile). Descoperirea lui M. f. Și. (A. Penzias, R. Wilson, 1965, SUA) a confirmat așa-zisa. , a dat cele mai importante dovezi experimentale în favoarea conceptului de izotropie a expansiunii Universului și a omogenității acestuia la scară largă (vezi).

Conform modelului Universului fierbinte, materia Universului în expansiune avea în trecut o densitate mult mai mare decât acum, și o temperatură extrem de ridicată. La T> 10 8 K primar, format din protoni, ioni de heliu și electroni, care emit, împrăștie și absorb continuu fotoni, era în emisie completă. În timpul expansiunii ulterioare a Universului, temperatura plasmei și radiațiilor au scăzut. Interacțiunea particulelor cu fotonii nu a mai avut timp să influențeze în mod semnificativ spectrul de radiații în timpul caracteristic de expansiune (Universul în termeni de bremsstrahlung devenise mult mai puțin decât unitate). Cu toate acestea, chiar și în absența completă a interacțiunii radiației cu materia în timpul expansiunii Universului, spectrul de radiații al corpului negru rămâne negru, doar temperatura radiației scade. În timp ce temperatura a depășit 4000 K, substanța primară a fost complet ionizată, intervalul de fotoni de la un eveniment de împrăștiere la altul a fost mult mai mic. La 4000 K, protoni și electroni s-au pierdut, plasma s-a transformat într-un amestec de atomi neutri de hidrogen și heliu, iar Universul a devenit complet transparent la radiații. În timpul expansiunii sale ulterioare, temperatura radiației a continuat să scadă, dar natura corpului negru a radiației a fost păstrată ca o relicvă, ca o „memorie” a perioadei timpurii a evoluției lumii. Această radiație a fost descoperită mai întâi la o undă de 7,35 cm, iar apoi la alte unde (de la 0,6 mm la 50 cm).

Temperatura M.f. Și. cu o precizie de 10% s-a dovedit a fi egală cu 2,7 K. Avg. energia fotonilor acestei radiații este extrem de scăzută - de 3000 de ori mai mică decât energia fotonilor luminii vizibile, dar numărul de fotoni este M. f. Și. foarte larg. Pentru fiecare atom din Univers există ~ 10 9 fotoni ai M.f. Și. (în medie 400-500 fotoni pe 1 cm3).

Alături de metoda directă de determinare a temperaturii lui M. f. Și. - conform curbei de distribuție a energiei în spectrul radiațiilor (vezi), există și o metodă indirectă - în funcție de populația nivelurilor energetice inferioare ale moleculelor din mediul interstelar. Când un foton este absorbit de M.f. Și. molecula se deplasează de la bază. stare într-o stare excitată. Cu cât temperatura radiației este mai mare, cu atât densitatea fotonilor cu energie suficientă pentru a excita moleculele este mai mare și proporția lor este mai mare la nivelul excitat. După numărul de molecule excitate (populația de niveluri) se poate aprecia temperatura radiației excitante. Astfel, observații optice. Liniile de absorbție ale cyanului interstelar (CN) arată că nivelurile sale de energie inferioare sunt populate ca și cum moleculele de CN s-ar afla într-un câmp de radiații de corp negru de trei grade. Acest fapt a fost stabilit (dar nu pe deplin înțeles) încă din 1941, cu mult înainte de descoperirea lui M. f. Și. observatii directe.

Nici stele și radiogalaxii, nici intergalactice fierbinți. gaz, nici reemisia luminii vizibile de către praful interstelar poate produce radiații care se apropie de f magnetic. i.: energia totală a acestei radiaţii este prea mare, iar spectrul ei nu seamănă nici cu spectrul stelelor, nici cu spectrul surselor radio (Fig. 1). Aceasta, precum și absența aproape completă a fluctuațiilor de intensitate în sfera cerească (fluctuații unghiulare la scară mică), dovedește originea cosmologică, relictă a f magnetică. Și.

Fluctuațiile lui M. f. Și.
Detectarea micilor diferențe de intensitate a M. f. i., primite din diferite părți ale sferei cerești, ne-ar permite să tragem o serie de concluzii despre natura perturbațiilor primare din materie, care au dus ulterior la formarea galaxiilor și a clusterelor de galaxii. Galaxiile moderne și clusterele lor s-au format ca urmare a creșterii unor neomogenități de amplitudine nesemnificative în densitatea materiei care existau înainte de recombinarea hidrogenului în Univers. Pentru orice cosmologic model, se poate găsi legea creșterii amplitudinii neomogenităților în timpul expansiunii Universului. Dacă știți care au fost amplitudinile neomogenității substanței în momentul recombinării, puteți stabili cât timp le-a luat să crească și să devină de ordinul unității. După aceasta, zonele cu o densitate semnificativ mai mare decât media ar fi trebuit să iasă în evidență din fundalul general în expansiune și să dea naștere galaxiilor și clusterelor lor. Numai radiația relictă poate „spune” despre amplitudinea neomogenităților densității inițiale în momentul recombinării. Deoarece înainte de recombinare radiația era strâns cuplată cu materia (fotoni împrăștiați de electroni), neomogenitățile în distribuția spațială a materiei au condus la neomogenități în densitatea energiei radiației, adică la diferențe de temperatură a radiației în regiuni ale Universului cu densități diferite. Când, după recombinare, substanța a încetat să interacționeze cu radiația și a devenit transparentă pentru aceasta, M. f. Și. ar fi trebuit să păstreze toate informațiile despre neomogenitățile de densitate din Univers în timpul perioadei de recombinare. Dacă au existat neomogenități, atunci temperatura M. f. Și. ar trebui să fluctueze și să depindă de direcția de observație. Cu toate acestea, experimentele pentru a detecta fluctuațiile așteptate nu au încă o precizie suficient de mare. Acestea oferă doar limite superioare pentru valorile de fluctuație. La scări unghiulare mici (de la un minut de arc până la șase grade de arc), fluctuațiile nu depășesc 10 -4 K. Căutarea fluctuațiilor f magnetice. Și. sunt complicate și de faptul că elementele cosmice discrete contribuie la fluctuațiile de fond. sursele radio, radiația atmosferei Pământului fluctuează etc. Experimentele la scară unghiulară mari au arătat, de asemenea, că temperatura M. f. Și. practic independent de direcția de observare: abaterile nu depășesc K. Datele obținute au făcut posibilă reducerea de 100 de ori a gradului de anizotropie al expansiunii Universului în comparație cu estimarea din observațiile directe ale galaxiilor „împrăștiate”. .

M. f. Și. ca „eter nou”.
M. f. Și. izotrop doar în sistemul de coordonate asociat cu galaxiile „împrăștiate”, în așa-numitele. sistem de referință însoțitor (acest sistem se extinde odată cu Universul). În orice alt sistem de coordonate, intensitatea radiației depinde de direcție. Acest fapt deschide posibilitatea de a măsura viteza Soarelui în raport cu sistemul de coordonate asociat câmpului magnetic. Și. Într-adevăr, datorită efectului Doppler, fotonii care se propagă către un observator în mișcare au o energie mai mare decât cei care îl ajung din urmă, în ciuda faptului că într-un sistem asociat cu f magnetice. i., energiile lor sunt egale. Prin urmare, temperatura radiației pentru un astfel de observator se dovedește a depinde de direcția: , unde T 0 - mier temperatura radiației pe cer, v- viteza observatorului, - unghiul dintre vectorul viteză și direcția de observație.

Anizotropia dipolului radiației cosmice de fond cu microunde, asociată cu mișcarea sistemului solar în raport cu câmpul acestei radiații, a fost acum ferm stabilită (Fig. 2): în direcția constelației Leului, temperatura M. . Și. este cu 3,5 mK mai mare decât media, iar în direcția opusă (constelația Vărsător) este la aceeași sumă sub medie. În consecință, Soarele (împreună cu Pământul) se mișcă în raport cu funcția magnetică. Și. cu o viteza de aprox. 400 km/s spre constelația Leului. Precizia observațiilor este atât de mare încât experimentatorii înregistrează viteza Pământului în jurul Soarelui la 30 km/s. Luarea în considerare a vitezei de mișcare a Soarelui în jurul centrului galaxiei face posibilă determinarea vitezei de mișcare a galaxiei în raport cu f magnetic. Și. Este 600 km/s. În principiu, există o metodă care permite determinarea vitezelor clusterelor bogate de galaxii în raport cu CMB (vezi).

Spectrul M. f. Și.
În fig. Tabelul 1 prezintă datele experimentale existente despre M. f. Și. iar curba Planck a distribuţiei energiei în spectrul radiaţiei de echilibru a unui corp absolut negru având o temperatură de 2,7 K. Poziţiile punctelor experimentale sunt în bună concordanţă cu cele teoretice. strâmb. Acest lucru oferă un suport puternic pentru modelul Universului fierbinte.

Rețineți că în intervalul undelor centimetrice și decimetrice, măsurătorile temperaturii M. f. Și. posibil de la suprafața Pământului folosind radiotelescoape. În intervalele milimetrice și mai ales submilimetrice, radiațiile atmosferice interferează cu observațiile fizicii magnetice. i., prin urmare, se efectuează măsurători în bandă largă, montate pe baloane (cilindri) și rachete. Date valoroase pe spectrul lui M. f. Și. în regiunea milimetrică au fost obținute din observațiile liniilor de absorbție ale moleculelor mediului interstelar în spectrele stelelor fierbinți. S-a dovedit că principalul contribuția la densitatea energetică a M. f. Și. produce radiații de la 6 la 0,6 mm, a cărei temperatură este apropiată de 3 K. În acest interval de lungimi de undă, densitatea de energie a f magnetică. Și. =0,25 eV/cm3.

Multe dintre cele cosmologice teoriile și teoriile formării galaxiilor, care iau în considerare procesele materiei și antimateriei, disiparea mișcărilor potențiale dezvoltate, la scară largă, evaporarea maselor mici primare, dezintegrarea celor instabile, prezic. eliberarea de energie în primele etape ale expansiunii Universului. În același timp, orice eliberare de energie align="absmiddle" width="127" height="18"> în stadiul în care temperatura M.f. Și. variat de la până la 3 K, ar fi trebuit să-și distorsioneze vizibil spectrul corpului negru. Astfel, spectrul lui M. f. Și. poarta informatii despre istoria termica a Universului. Mai mult, aceste informații se dovedesc a fi diferențiate: eliberarea de energie în fiecare dintre cele trei etape de expansiune (K; 3T 4000 K). Există foarte puțini astfel de fotoni energetici (~10 -9 din numărul lor total). Prin urmare, radiația de recombinare apărută în timpul formării atomilor neutri ar fi trebuit să distorsioneze foarte mult spectrul câmpului magnetic. Și. la valuri de 250 microni.

Substanța ar putea experimenta o altă încălzire în timpul formării galaxiilor. Spectrul M. f. Și. în același timp, s-ar putea schimba, deoarece împrăștierea fotonilor relicte de către electronii fierbinți crește energia fotonilor (vezi). Modificări deosebit de puternice apar în acest caz în regiunea de unde scurte a spectrului. Una dintre curbele care demonstrează o posibilă distorsiune a spectrului lui M. f. i., prezentată în fig. 1 (curba întreruptă). Modificări disponibile în spectrul lui M. f. Și. a arătat că încălzirea secundară a materiei din Univers a avut loc mult mai târziu decât recombinarea.

M. f. Și. și razele cosmice.

Cosmic razele (protoni și nuclee de înaltă energie; electroni ultra-relativisti care determină emisia radio a galaxiilor noastre și a altor galaxii din raza metrului) transportă informații despre procesele explozive gigantice din stele și nucleele galactice, în timpul cărora se nasc. După cum sa dovedit, durata de viață a particulelor de înaltă energie din Univers depinde în mare măsură de fotonii câmpului magnetic. i., având energie scăzută, dar extrem de numeroși – sunt de un miliard de ori mai mulți decât sunt atomi în Univers (acest raport se menține în timpul expansiunii Universului). În ciocnirea electronilor ultrarelativisti, cosmic. raze cu fotoni M.f. Și. are loc o redistribuire a energiei și a impulsului. Energia fotonului crește de multe ori, iar fotonul radio se transformă într-un foton cu raze X. radiație, energia electronului se modifică nesemnificativ. Pe măsură ce acest proces se repetă de multe ori, electronul își pierde treptat toată energia. Observat de la sateliți și rachete cu raze X. radiația de fond pare să se datoreze în parte acestui proces.

Protonii și nucleele de energii ultra-înalte sunt, de asemenea, supuși influenței fotonilor M. f. i.: la ciocnirea cu ei, nucleele sunt scindate, iar ciocnirile cu protonii duc la nasterea de noi particule (perechi electron-pozitron, -mezoni etc.). Ca urmare, energia protonilor scade rapid până la pragul, sub care nașterea particulelor devine imposibilă conform legilor conservării energiei și impulsului. Cu aceste procese este practic absența în spațiu raze de particule cu energie 10-20 eV, precum și un număr mic de nuclee grele.

Lit.:
Zeldovich Ya.B., Modelul „fierbinte” al Universului, UFN, 1966, v. 89, v. 4, p. 647; Weinberg S., Primele trei minute, trad. din engleză, M., 1981.

radiația CMB-radiatie electromagnetica cosmica cu un grad ridicat de izotropie si cu un spectru caracteristic unui corp absolut negru cu o temperatura? 2.725 K. CMB a fost prezis de G. Gamow, R. Alpher și R. Hermann în 1948, pe baza primei teorii Big Bang pe care au creat-o. Alpher și Herman au reușit să stabilească că temperatura radiației cosmice de fond cu microunde ar trebui să fie de 5 K, iar Gamow a făcut un pronostic în 3 K. Deși unele estimări ale temperaturii spațiului au existat înainte, acestea au avut mai multe neajunsuri. În primul rând, acestea au fost măsurători ale temperaturii efective a spațiului, nu s-a presupus că spectrul de radiații se supune legii lui Planck. În al doilea rând, ei au fost dependenți de locația noastră specială la marginea galaxiei și nu au presupus că radiația este izotropă. Mai mult decât atât, ar da rezultate complet diferite dacă Pământul ar fi situat în altă parte în Univers. Nici G. Gamow însuși și nici mulți dintre adepții săi nu au pus problema detectării experimentale a radiației cosmice de fond cu microunde. Aparent, ei credeau că această radiație nu poate fi detectată, deoarece „se îneacă” în fluxurile de energie aduse pe pământ de radiația stelelor și a razelor cosmice.

Posibilitatea detectării radiației cosmice de fond cu microunde pe fondul radiațiilor din galaxii și stele din regiunea undelor radio centimetrice a fost fundamentată prin calcule ale lui A.G. Doroshkevich și I.D. Novikov, realizată la sugestia lui Ya.B. Zeldovich în 1964, adică. cu un an înainte de descoperirea lui A. Pepzias şi R. Wilson.

În 1965, Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson au construit radiometrul Dicke, pe care intenționau să-l folosească nu pentru căutarea radiației cosmice de fond cu microunde, ci pentru experimente în radioastronomie și comunicații prin satelit. La calibrarea dispozitivului, s-a dovedit că antena avea o temperatură în exces de 3,5 K pe care nu l-au putut explica. Ușor zgomot de fond nu s-a schimbat nici din direcție, nici din timpul de funcționare. La început au decis că era zgomot inerent echipamentului. Radiotelescopul a fost demontat și „umplutura” a fost testată din nou și din nou. Mândria inginerilor a fost rănită și, prin urmare, verificarea a trecut până la ultimul detaliu, până la ultima lipire. Totul a fost eliminat. L-au adunat din nou - zgomotul a reluat. După multă deliberare, teoreticienii au ajuns la concluzia că această radiație nu ar putea fi altceva decât un fundal constant de emisie radio cosmică care umple Universul într-un flux constant. Primind un apel de la Holdmdale, Dicke a glumit: „Am luat jackpot-ul, băieți”. O întâlnire între echipele Princeton și Holmdale a stabilit că temperatura antenei a fost cauzată de radiația cosmică de fond cu microunde. Astrofizicienii au calculat că zgomotul corespunde unei temperaturi de aproximativ 3 grade Kelvin și este „audibil la o varietate de frecvențe. În 1978, Penzias și Wilson au primit Premiul Nobel pentru descoperirea lor. Ne putem imagina cum s-au bucurat susținătorii modelului „fierbinte” când a sosit acest mesaj. Această descoperire nu numai că a întărit poziția modelului „fierbinte”. Radiațiile relicte au făcut posibilă coborârea de la treapta de timp a quasarului (8-10 miliarde de ani) la o treaptă care corespunde la 300 de mii de ani chiar de la „început”. În același timp, s-a confirmat ideea că Universul avea cândva o densitate de un miliard de ori mai mare decât este acum. Se știe că materia încălzită emite întotdeauna fotoni. Conform legilor generale ale termodinamicii, aceasta manifestă dorința unei stări de echilibru în care să se realizeze saturația: nașterea de noi fotoni este compensată prin procesul invers, absorbția fotonilor de către materie, astfel încât numărul total de fotoni din mediul nu se schimbă. Acest „gaz fotonic” umple uniform întregul Univers. Temperatura gazului fotonilor este aproape de zero absolut - aproximativ 3 Kelvin, dar energia conținută în el este mai mare decât energia luminoasă emisă de toate stelele în timpul vieții lor. Pentru fiecare centimetru cub de spațiu din Univers există aproximativ cinci sute de cuante de radiație, iar numărul total de fotoni din Universul vizibil este de câteva miliarde de ori mai mare decât numărul total de particule de materie, adică. atomi, nuclee, electroni care alcătuiesc planetele, stelele și galaxiile. Această radiație generală de fond a Universului este numită cu o mână ușoară de I.S. Shklovsky, relictă, i.e. rezidual, care este o rămășiță, o relicvă a stării inițiale dense și fierbinte a Universului. Presupunând că materia Universului timpuriu era fierbinte, G. Gamow a prezis că fotonii, care erau atunci în echilibru termodinamic cu materia, ar trebui să persistă în epoca modernă. Acești fotoni au fost detectați direct în 1965. După ce a experimentat o expansiune generală și o răcire asociată, gazul fotonilor formează acum radiația de fundal a Universului, ajungând la noi în mod uniform din toate părțile. Cuantumul cosmic de fond cu microunde nu are o masă de repaus, ca orice cuantum de radiație electromagnetică, ci are energie și, prin urmare, conform celebrei formule a lui Einstein E=Doamna?, și masa corespunzătoare acestei energii. Pentru majoritatea cuantelor relicte, această masă este foarte mică: mult mai mică decât masa unui atom de hidrogen, cel mai comun element al stelelor și galaxiilor. Prin urmare, în ciuda predominanței semnificative în numărul de particule, radiația cosmică de fond cu microunde este inferioară stelelor și galaxiilor în ceea ce privește contribuția la masa totală a Universului. În epoca modernă, densitatea radiației este de 3 * 10 -34 g/cm 3, ceea ce este de aproximativ o mie de ori mai mică decât densitatea medie a materiei din galaxii. Dar acest lucru nu a fost întotdeauna cazul - în trecutul îndepărtat al Universului, fotonii au adus principala contribuție la densitatea acestuia. Cert este că în timpul expansiunii cosmologice, densitatea radiației scade mai repede decât densitatea materiei. În acest proces, nu numai concentrația de fotoni scade (la aceeași viteză cu concentrația de particule), dar și energia medie a unui foton scade, deoarece temperatura gazului fotonului scade în timpul expansiunii. În timpul expansiunii ulterioare a Universului, temperatura plasmei și radiațiile au scăzut. Interacțiunea particulelor cu fotonii nu a mai avut timp să influențeze semnificativ spectrul de emisie în timpul de expansiune caracteristic. Cu toate acestea, chiar și în absența completă a interacțiunii dintre radiație și materie în timpul expansiunii Universului, spectrul de radiații al corpului negru rămâne doar temperatura radiației scade. În timp ce temperatura a depășit 4000 K, materia primară a fost complet ionizată, gama de fotoni de la un eveniment de împrăștiere la altul a fost mult mai mică decât orizontul Universului. La T ? 4000K protonii și electronii s-au recombinat, plasma s-a transformat într-un amestec de atomi neutri de hidrogen și heliu, iar Universul a devenit complet transparent la radiații. În timpul extinderii sale ulterioare, temperatura radiației a continuat să scadă, dar natura corpului negru a radiației a fost păstrată ca o relicvă, ca o „memorie” a perioadei timpurii a evoluției lumii. Această radiație a fost descoperită mai întâi la o undă de 7,35 cm, iar apoi la alte unde (de la 0,6 mm la 50 cm).

Nici stelele și radiogalaxiile, nici gazul intergalactic fierbinte, nici reemisia luminii vizibile de către praful interstelar nu pot produce radiații care se apropie de proprietățile radiației de fond cu microunde: energia totală a acestei radiații este prea mare, iar spectrul ei nu este similar cu fie spectrul stelelor fie spectrul surselor radio . Acest lucru, precum și absența aproape completă a fluctuațiilor de intensitate în sfera cerească (fluctuații unghiulare la scară mică), dovedește originea cosmologică, relictă, a radiației de fond cu microunde.

Radiația de fond este izotropă doar în sistemul de coordonate asociat cu galaxiile „împrăștiate”, în așa-numitele. sistem de referință însoțitor (acest sistem se extinde odată cu Universul). În orice alt sistem de coordonate, intensitatea radiației depinde de direcție. Acest fapt deschide posibilitatea de a măsura viteza Soarelui în raport cu sistemul de coordonate asociat cu radiația de fond cu microunde. Într-adevăr, datorită efectului Doppler, fotonii care se propagă către un observator în mișcare au o energie mai mare decât cei care îl ajung din urmă, în ciuda faptului că într-un sistem asociat cu m.f. i., energiile lor sunt egale. Prin urmare, temperatura radiației pentru un astfel de observator se dovedește a depinde de direcție. Anizotropia dipolului radiației cosmice de fond cu microunde, asociată cu mișcarea sistemului solar în raport cu câmpul acestei radiații, a fost acum ferm stabilită: în direcția constelației Leului, temperatura radiației relicte este cu 3,5 mK mai mare. decât media, iar în direcția opusă (constelația Vărsător) este aceeași sumă sub medie. În consecință, Soarele (împreună cu Pământul) se mișcă în raport cu m.f. Și. cu o viteză de aproximativ 400 km/s către constelația Leului. Precizia observațiilor este atât de mare încât experimentatorii înregistrează viteza Pământului în jurul Soarelui la 30 km/s. Luând în considerare viteza Soarelui în jurul centrului Galaxiei ne permite să determinăm viteza Galaxiei în raport cu radiația de fundal. Este de aproximativ 600 km/s. Spectrofotometrul de radiații în infraroșu îndepărtat (FIRAS) de pe satelitul Cosmic Background Explorer (COBE) al NASA a făcut măsurători precise ale spectrului radiației cosmice de fond cu microunde. Aceste măsurători au fost cele mai precise măsurători ale spectrului corpului negru până în prezent. Cea mai detaliată hartă a radiației cosmice de fond cu microunde a fost construită ca urmare a lucrărilor navei spațiale americane WMAP.

Spectrul radiației cosmice de fond cu microunde care umple Universul corespunde spectrului de radiații dintr-un corp absolut negru cu o temperatură de 2,725. K. Maximul său apare la o frecvență de 160,4 GHz, ceea ce corespunde unei lungimi de undă de 1,9 mm. Este izotrop cu 0,001% - abaterea standard a temperaturii este de aproximativ 18 μK. Această valoare nu ține cont de anizotropia dipolului (diferența dintre regiunea cea mai rece și cea mai fierbinte este de 6,706 mK) cauzată de schimbarea frecvenței Doppler a radiației din cauza propriei viteze în raport cu sistemul de coordonate asociat cu CMB. Anizotropia dipolului corespunde mișcării sistemului solar către constelația Fecioarei cu o viteză de? 370 km/s.

radiația CMB

Radiația de fond extragalactică cu microunde apare în intervalul de frecvență de la 500 MHz la 500 GHz, corespunzătoare lungimii de undă de la 60 cm la 0,6 mm. Această radiație de fond transportă informații despre procesele care au avut loc în Univers înainte de formarea galaxiilor, quasarurilor și a altor obiecte. Această radiație, numită radiație cosmică de fond cu microunde, a fost descoperită în 1965, deși a fost prezisă încă din anii 40 de George Gamow și a fost studiată de astronomi de zeci de ani.

În Universul în expansiune, densitatea medie a materiei depinde de timp - în trecut era mai mare. Cu toate acestea, în timpul expansiunii, nu numai densitatea, ci și energia termică a substanței se schimbă, ceea ce înseamnă că în stadiul incipient al expansiunii, Universul nu era doar dens, ci și fierbinte. În consecință, în timpul nostru ar trebui să existe o radiație reziduală, al cărei spectru este același cu spectrul unui corp absolut solid, iar această radiație ar trebui să fie foarte izotropă. În 1964, A.A Penzias și R. Wilson, testând o antenă radio sensibilă, au descoperit radiații de microunde de fond foarte slabe, de care nu au putut scăpa în niciun fel. Temperatura sa s-a dovedit a fi de 2,73 K, ceea ce este aproape de valoarea prezisă. Din experimentele de izotropie s-a arătat că sursa radiației de fond cu microunde nu poate fi localizată în interiorul Galaxiei, de atunci trebuie observată o concentrație de radiație spre centrul Galaxiei. Sursa de radiație nu a putut fi localizată în interiorul sistemului solar, deoarece Ar exista o variație zilnică a intensității radiațiilor. Din acest motiv, s-a făcut o concluzie despre natura extragalactică a acestei radiații de fond. Astfel, ipoteza unui Univers fierbinte a primit o bază observațională.

Pentru a înțelege natura radiației cosmice de fond cu microunde, este necesar să ne întoarcem la procesele care au avut loc în etapele incipiente ale expansiunii Universului. Să luăm în considerare modul în care condițiile fizice din Univers s-au schimbat în timpul procesului de expansiune.

Acum, fiecare centimetru cub de spațiu conține aproximativ 500 de fotoni relicte și există mult mai puțină materie pe volum. Deoarece raportul dintre numărul de fotoni și numărul de barioni în timpul expansiunii se menține, dar energia fotonilor în timpul expansiunii Universului scade în timp din cauza deplasării la roșu, putem concluziona că la un moment dat în trecut energia densitatea radiației a fost mai mare decât densitatea de energie a particulelor de materie. Acest timp se numește stadiul de radiație în evoluția Universului. Etapa de radiație a fost caracterizată de egalitatea temperaturii substanței și a radiației. La acel moment, radiația a determinat complet natura expansiunii Universului. La aproximativ un milion de ani după ce a început expansiunea Universului, temperatura a scăzut la câteva mii de grade și a avut loc o recombinare a electronilor, care anterior erau particule libere, cu protoni și nuclee de heliu, adică. formarea atomilor. Universul a devenit transparent pentru radiații, iar această radiație este cea pe care acum detectăm și numim radiații relicte. Adevărat, de atunci, din cauza expansiunii Universului, fotonii și-au scăzut energia de aproximativ 100 de ori. Figurat vorbind, cuantele cosmice de fundal cu microunde au „imprimat” epoca recombinării și poartă informații directe despre trecutul îndepărtat.

După recombinare, materia a început să evolueze independent pentru prima dată, indiferent de radiație, iar în ea au început să apară densități - embrionii viitoarelor galaxii și clusterele lor. Acesta este motivul pentru care experimentele pentru a studia proprietățile radiației cosmice de fond cu microunde - spectrul său și fluctuațiile spațiale - sunt atât de importante pentru oamenii de știință. Eforturile lor nu au fost în zadar: la începutul anilor '90. Experimentul spațial rusesc Relikt-2 și americanul Kobe au descoperit diferențe de temperatură a radiației cosmice de fond cu microunde din zonele învecinate ale cerului, iar abaterea de la temperatura medie este de numai aproximativ o miime de procent. Aceste variații de temperatură poartă informații despre abaterea densității materiei de la valoarea medie în timpul perioadei de recombinare. După recombinare, materia din Univers a fost distribuită aproape uniform, iar acolo unde densitatea a fost cel puțin puțin peste medie, atracția a fost mai puternică. Variațiile de densitate au fost cele care au condus ulterior la formarea structurilor la scară mare, a clusterelor de galaxii și a galaxiilor individuale observate în Univers. Potrivit ideilor moderne, primele galaxii ar fi trebuit să se formeze într-o epocă care corespunde deplasărilor spre roșu de la 4 la 8.

Există vreo șansă de a privi și mai departe epoca de dinaintea recombinării? Până în momentul recombinării, presiunea radiației electromagnetice a fost cea care a creat în principal câmpul gravitațional care a încetinit expansiunea Universului. În această etapă, temperatura a variat invers proporțional cu rădăcina pătrată a timpului scurs de la începutul expansiunii. Să luăm în considerare succesiv diferitele etape de expansiune ale Universului timpuriu.

La o temperatură de aproximativ 1013 Kelvin, în Univers s-au născut și anihilate perechi de diferite particule și antiparticule: protoni, neutroni, mezoni, electroni, neutrini etc. Când temperatura a scăzut la 5*1012 K, aproape toți protonii și neutronii erau anihilate, transformându-se în cuante de radiație; Au rămas doar cele pentru care „nu au fost suficiente” antiparticule. Din acești „exces” de protoni și neutroni constă în principal materia Universului observabil modern.

La T = 2*1010 K, neutrinii care pătrundeau totul au încetat să interacționeze cu materia - din acel moment ar fi trebuit să rămână un „fond de neutrini relicte”, care ar putea fi detectat în timpul experimentelor viitoare cu neutrini.

Tot ceea ce tocmai s-a discutat s-a întâmplat la temperaturi ultra-înalte în prima secundă după ce a început expansiunea Universului. La câteva secunde după „nașterea” Universului, a început epoca nucleosintezei primare, când s-au format nuclee de deuteriu, heliu, litiu și beriliu. A durat aproximativ trei minute, iar rezultatul său principal a fost formarea nucleelor ​​de heliu (25% din masa întregii materie din Univers). Elementele rămase, mai grele decât heliul, constituiau o parte neglijabilă a substanței - aproximativ 0,01%.

După era nucleosintezei și înainte de era recombinării (aproximativ 106 ani), a avut loc o expansiune și o răcire liniștită a Universului, iar apoi - la sute de milioane de ani de la început - au apărut primele galaxii și stele.

În ultimele decenii, dezvoltarea cosmologiei și a fizicii particulelor elementare a făcut posibilă luarea în considerare teoretică a perioadei inițiale, „superdense”, a expansiunii Universului. Se dovedește că chiar la începutul expansiunii, când temperatura era incredibil de mare (mai mult de 1028 K), Universul putea fi într-o stare specială în care s-a extins cu accelerație, iar energia pe unitatea de volum a rămas constantă. Această etapă de expansiune a fost numită inflaționistă. O astfel de stare a materiei este posibilă într-o singură condiție - presiune negativă. Etapa expansiunii inflaționiste ultrarapide a acoperit o perioadă infimă de timp: s-a încheiat la aproximativ 10–36 s. Se crede că adevărata „naștere” a particulelor elementare de materie în forma în care le cunoaștem acum a avut loc imediat după sfârșitul etapei inflaționiste și a fost cauzată de decăderea unui câmp ipotetic. După aceasta, expansiunea Universului a continuat prin inerție.

Ipoteza universului inflaționist răspunde la o serie de întrebări importante din cosmologie care până de curând erau considerate paradoxuri inexplicabile, în special la întrebarea cauzei expansiunii universului. Dacă în istoria sa Universul a trecut într-adevăr printr-o epocă în care a existat o presiune negativă mare, atunci gravitația ar fi trebuit inevitabil să provoace nu atracția, ci respingerea reciprocă a particulelor materiale. Și asta înseamnă că Universul a început să se extindă rapid, exploziv. Desigur, modelul Universului inflaționist este doar o ipoteză: chiar și o verificare indirectă a prevederilor sale necesită instrumente care pur și simplu nu au fost încă create. Cu toate acestea, ideea expansiunii accelerate a Universului în cea mai timpurie etapă a evoluției sale a intrat ferm în cosmologia modernă.

Vorbind despre Universul timpuriu, suntem brusc transportați de la cele mai mari scări cosmice în regiunea microlumii, care este descrisă de legile mecanicii cuantice. Fizica particulelor elementare și a energiilor ultra-înalte este strâns împletită în cosmologie cu fizica sistemelor astronomice gigantice. Cele mai mari și cele mai mici sunt conectate aici între ele. Aceasta este frumusețea uimitoare a lumii noastre, plină de conexiuni neașteptate și unitate profundă.

Manifestările vieții pe Pământ sunt extrem de diverse. Viața pe Pământ este reprezentată de creaturi nucleare și prenucleare, unice și multicelulare; multicelulare, la rândul lor, sunt reprezentate de ciuperci, plante și animale. Oricare dintre aceste regate unește diverse tipuri, clase, ordine, familii, genuri, specii, populații și indivizi.

În toată diversitatea aparent nesfârșită a viețuitoarelor, se pot distinge mai multe niveluri diferite de organizare a viețuitoarelor: molecular, celular, tisular, organ, ontogenetic, populație, specie, biogeocenotic, biosferă. Nivelurile enumerate sunt evidențiate pentru ușurința studiului. Dacă încercăm să identificăm principalele niveluri, reflectând nu atât nivelurile de studiu, cât nivelurile de organizare a vieții pe Pământ, atunci criteriile principale pentru o astfel de identificare ar trebui să fie prezența unor structuri specifice elementare, discrete și fenomene elementare. Cu această abordare, se dovedește a fi necesar și suficient să distingem nivelurile genetice moleculare, ontogenetice, specii-populații și biogeocenotice (N.V. Timofeev-Resovsky și alții).

Nivel genetic molecular. La studierea acestui nivel, aparent, cea mai mare claritate a fost obținută în definirea conceptelor de bază, precum și în identificarea structurilor și fenomenelor elementare. Dezvoltarea teoriei cromozomiale a eredității, analiza procesului de mutație și studiul structurii cromozomilor, fagilor și virușilor au dezvăluit principalele trăsături ale organizării structurilor genetice elementare și a fenomenelor conexe. Se știe că principalele structuri de la acest nivel (coduri de informații ereditare transmise din generație în generație) sunt ADN diferențiat după lungime în elemente de cod – triplete de baze azotate care formează gene.

Genele la acest nivel de organizare a vieții reprezintă unități elementare. Principalele fenomene elementare asociate cu genele pot fi considerate modificările structurale locale (mutațiile) ale acestora și transferul informațiilor stocate în ele către sistemele de control intracelular.

Reduplicarea convariantă are loc conform principiului șablon prin ruperea legăturilor de hidrogen ale dublei helix ADN cu participarea enzimei ADN polimeraza. Apoi fiecare dintre catene formează o catenă corespunzătoare, după care noile catene sunt conectate complementar între ele. Bazele pirimidinice și purinice ale catenelor complementare sunt ținute împreună prin legături de hidrogen prin ADN polimerază. Acest proces se realizează foarte repede. Astfel, autoasamblarea ADN-ului Escherichia coli, constând din aproximativ 40 de mii de perechi de nucleotide, necesită doar 100 s. Informația genetică este transferată de la nucleu de moleculele de ARNm la citoplasmă la ribozomi și participă la sinteza proteinelor. O proteină care conține mii de aminoacizi este sintetizată într-o celulă vie în 5-6 minute și mai rapid în bacterii.

Principalele sisteme de control, atât în ​​timpul reduplicării convariante, cât și în timpul transferului de informații intracelulare, utilizează „principiul matricei”, adică. sunt matrici lângă care se construiesc macromoleculele specifice corespunzătoare. În prezent, codul încorporat în structura acizilor nucleici, care servește drept matrice pentru sinteza structurilor proteinelor specifice în celule, este descifrat cu succes. Reduplicarea, bazată pe copierea matricei, păstrează nu numai norma genetică, ci și abaterile de la aceasta, adică. mutații (baza procesului evolutiv). Cunoașterea suficient de exactă a nivelului genetic molecular este o condiție prealabilă necesară pentru o înțelegere clară a fenomenelor vieții care apar la toate celelalte niveluri de organizare a vieții.