CMB radiation. Pagtuklas ng cosmic microwave background radiation. Teorya ng Hot Universe

Noong 2006, si John Mather at George Smoot ay ginawaran ng Nobel Prize sa Physics para sa kanilang pagtuklas ng blackbody spectrum at anisotropy ng cosmic microwave background radiation. Ang mga resultang ito ay nakuha batay sa mga sukat na ginawa gamit ang COBE satellite na inilunsad ng NASA noong 1988. Ang mga resulta nina J. Mather at J. Smoot ay nakumpirma ang pinagmulan ng Uniberso bilang resulta ng Big Bang. Ang napakaliit na pagkakaiba sa temperatura ng cosmic background radiation ΔT/T ~ 10 -4 ay katibayan ng mekanismo ng pagbuo ng mga kalawakan at bituin.

J. Mather (b. 1946)

J. Makinis (b. 1945)

kanin. 52. Blackbody spectrum ng cosmic microwave background radiation.

Ang cosmic microwave background radiation (o cosmic microwave background radiation) ay natuklasan noong 1965 nina A. Penzias at R. Wilson. Sa isang maagang yugto ng ebolusyon ng Uniberso, ang bagay ay nasa estado ng plasma. Ang nasabing medium ay malabo sa electromagnetic radiation ay nangyayari ang matinding scattering ng mga photon sa pamamagitan ng mga electron at proton. Nang ang Uniberso ay lumamig sa 3000 K, ang mga electron at proton ay nagkaisa sa mga neutral na atomo ng hydrogen at ang daluyan ay naging transparent sa mga photon. Sa oras na ito, ang edad ng Uniberso ay 300,000 taon, kaya ang cosmic microwave background radiation ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa estado ng Uniberso sa panahong ito. Sa oras na ito, ang Uniberso ay halos homogenous. Ang mga inhomogeneities ng Uniberso ay natutukoy ng inhomogeneity ng temperatura ng cosmic microwave background radiation. Ang heterogeneity na ito ay ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5. Ang mga inhomogeneities ng cosmic microwave background radiation ay mga saksi ng inhomogeneities ng Universe: ang mga unang bituin, mga kalawakan, mga kumpol ng mga kalawakan. Sa pagpapalawak ng Uniberso, ang wavelength ng CMB ay tumaas Δλ/λ = ΔR/R at sa kasalukuyan ang wavelength ng CMB ay nasa hanay ng radio wave, ang temperatura ng CMB ay T = 2.7 K.

kanin. 53. Anisotropy ng cosmic microwave background radiation. Ang mas madidilim na kulay ay nagpapahiwatig ng mga bahagi ng CMB spectrum na may mas mataas na temperatura.

J. Mather: "Sa simula ay mayroong Big Bang−kaya't sinasabi natin ngayon nang may malaking pagtitiwala. Ang COBE satellite, na iminungkahi bilang isang proyekto noong 1974 sa National Aeronautics and Space Agency (NASA) at inilunsad noong 1989, ay nagbigay ng napakalakas na ebidensya na pabor dito: ang cosmic microwave background radiation (CMBR, o cosmic microwave background radiation) ay may spectrum halos perpektong itim na katawan na may temperatura
2.725 ±0.001 K, at ang radiation na ito ay isotropic (pareho sa lahat ng direksyon) na may relatibong standard deviation na hindi hihigit sa 10 kada milyon sa angular scale na 7° o higit pa. Ang radiation na ito ay binibigyang kahulugan bilang isang bakas ng sobrang init at siksik na unang yugto ng ebolusyon ng Uniberso. Sa ganoong mainit at siksik na yugto, ang paglikha at pagkasira ng mga photon, pati na rin ang pagtatatag ng balanse sa pagitan nila at sa lahat ng iba pang anyo ng bagay at enerhiya, ay magaganap nang napakabilis kumpara sa katangiang sukat ng oras ng paglawak ng Uniberso. . Ang ganitong estado ay agad na magbubunga ng blackbody radiation. Dapat panatilihin ng isang lumalawak na Uniberso ang katangian ng itim na katawan ng spectrum na ito, kaya ang pagsukat ng anumang makabuluhang paglihis mula sa perpektong spectrum ng itim na katawan ay maaaring magpawalang-bisa sa buong ideya ng Big Bang o magpapakita na may ilang enerhiya na idinagdag sa CMB pagkatapos ng mabilis na pagtatatag ng equilibrium (halimbawa, mula sa pagkabulok ng ilang pangunahing particle). Ang katotohanan na ang radiation na ito ay isotropic sa ganoong mataas na antas ay pangunahing ebidensya na ito ay nagmula sa Big Bang."

kanin. 54. Robert Wilson at Arno Penzias sa antenna kung saan naitala ang cosmic microwave background radiation.

J. Smoot: "Ayon sa teorya ng mainit na Uniberso, ang cosmic microwave background radiation ay natitirang radiation na nabuo sa pinakamaagang yugto ng mataas na temperatura ng ebolusyon ng Uniberso sa isang oras na malapit sa simula ng pagpapalawak ng modernong Uniberso 13.7 bilyong taon na ang nakakaraan. . Ang CMB mismo ay maaaring gamitin bilang isang makapangyarihang tool para sa pagsukat ng dynamics at geometry ng Uniberso. Ang CMB ay natuklasan nina Penzias at Wilson sa Laboratory. Bella noong 1964
Natuklasan nila ang patuloy na isotropic radiation na may thermodynamic na temperatura na humigit-kumulang 3.2 K. Kasabay nito, ang mga physicist sa Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson at Roll) ay gumagawa ng isang eksperimento upang sukatin ang cosmic microwave background radiation na hinulaang ng teorya ng mainit na uniberso. Ang hindi sinasadyang pagtuklas ng cosmic microwave background radiation nina Penzias at Wilson ay nag-udyok sa isang bagong panahon sa kosmolohiya, na minarkahan ang simula ng pagbabago nito mula sa mito at haka-haka sa isang ganap na larangang siyentipiko.
Ang pagtuklas ng temperatura anisotropy sa background ng cosmic microwave ay nagbago ng aming pag-unawa sa Uniberso, at ang modernong pananaliksik nito ay patuloy na binabago ang kosmolohiya. Ang pag-plot ng angular power spectrum ng mga pagbabago sa temperatura ng CMB na may mga talampas, acoustic peak, at isang nabubulok na high-frequency na buntot ay humantong sa pagtatatag ng isang karaniwang cosmological model kung saan ang geometry ng espasyo ay flat (naaayon sa critical density), dark energy at dark bagay na nangingibabaw, at mayroon lamang isang maliit na ordinaryong bagay. Ayon sa matagumpay na nakumpirmang modelong ito, ang naobserbahang istraktura ng Uniberso ay nabuo sa pamamagitan ng gravitational instability, na nagpalaki ng mga pagbabago sa dami na nabuo sa napakaagang panahon ng inflationary. Ang mga obserbasyon sa kasalukuyan at sa hinaharap ay susubok sa modelong ito at tutukuyin ang mga pangunahing parameter ng kosmolohiya na may natatanging katumpakan at kahalagahan."

CMB radiation

Ipinakikita ng mga obserbasyon ng astronomya na, bilang karagdagan sa mga indibidwal na pinagmumulan ng radiation sa anyo ng mga bituin at kalawakan, mayroong radiation sa Uniberso na hindi nahahati sa mga indibidwal na mapagkukunan - radiation ng background. Ito ay sinusunod sa lahat ng saklaw ng electromagnetic spectrum. Karaniwan, ang background radiation ay ang kabuuan ng luminescence ng iba't ibang mga mapagkukunan (mga kalawakan, quasar, intergalactic gas), na napakalayo na ang modernong paraan ng mga astronomical na obserbasyon ay hindi pa maaaring hatiin ang kanilang kabuuang radiation sa mga indibidwal na bahagi (tandaan na ang Milky Way ay itinuturing na isang tuluy-tuloy na guhit. hanggang sa liwanag ng ika-17 siglo, at noong 1610 lamang, natuklasan ni Galileo Galilei, na sinusuri ito sa pamamagitan ng isang teleskopyo, na binubuo ito ng mga indibidwal na bituin).

Noong 1965, natuklasan ng mga inhinyero ng radyong Amerikano na sina A. Penzias at R. Wilson ang background radiation sa hanay ng microwave (haba ng daluyong mula 300 μm hanggang 50 cm, dalas mula 6 10 8 Hz hanggang 10 12 Hz). Sa mga frequency na ito ng electromagnetic waves, walang mga pinagmumulan na maaaring magdulot ng background radiation ng ganoong liwanag. Ang radiation na ito ay napaka homogenous: hanggang sa ikasanlibo ng isang porsyento, ang intensity nito ay pare-pareho sa buong kalangitan. Tandaan na ilang porsyento ng "snow" na lumalabas sa screen ng TV sa isang hindi nakatutok na channel ay dahil mismo sa microwave background radiation.

Ang pangunahing pag-aari ng microwave background radiation ay ang spectrum nito (i.e., intensity distribution bilang isang function ng frequency o wavelength), na ipinapakita sa Fig. 5.1.2. Ang spectrum ng radiation na ito ay eksaktong akma sa theoretical curve, na kilala sa physics - ang Planck curve. Ang ganitong uri ng spectrum ay tinatawag na black body spectrum. Ang spectrum na ito ay katangian ng isang ganap na opaque na pinainit na sangkap. Ang temperatura ng microwave radiation ay humigit-kumulang 3 K (mas tiyak, 2.728 K). Imposibleng makamit ang isang Planck spectrum sa pamamagitan ng pagdaragdag ng radiation mula sa anumang mga mapagkukunan. Ang pinaka-maaasahang kumpirmasyon ng Planckian na kalikasan ng spectrum ng cosmic microwave background radiation ay nakuha gamit ang American satellite COBE (Cosmic Background Explorer) noong 1992.

Ang Planck curve equation ay may anyo

.

(5.1)

Narito ang ρ ν ay ang spectral density ng radiation (enerhiya ng radiation bawat yunit ng dami at bawat yunit ng frequency interval), ν ay dalas, h ay pare-pareho ng Planck, c ay ang bilis ng liwanag, k ay pare-pareho ng Boltzmann, T ay temperatura ng radiation.

Ang radiation ng microwave mula sa Uniberso ay tinatawag na relict radiation. Ang pangalang ito ay dahil sa katotohanang nagdadala ito ng impormasyon tungkol sa mga pisikal na kondisyon na naghari sa Uniberso noong panahong hindi pa nabuo ang mga bituin at kalawakan. Ang mismong katotohanan ng pagkakaroon ng radiation na ito ay nagpapahiwatig na sa nakaraan ang mga katangian ng Uniberso ay makabuluhang naiiba kaysa sa kasalukuyang panahon. Upang patunayan ang konklusyong ito, ipinakita namin ang sumusunod na lohikal na kadena.

1. Dahil ang spectrum ng cosmic microwave background radiation ay ang spectrum ng isang ganap na itim na katawan, ang radiation na ito ay nabuo ng isang ganap na opaque na pinainit na katawan.
2. Dahil ang radiation na ito ay pantay-pantay na dumarating sa amin mula sa lahat ng panig, kami ay napapalibutan sa lahat ng panig ng ilang uri ng opaque na katawan.
3. Gayunpaman, ang Uniberso - sa modernong anyo nito - ay halos ganap na transparent sa mga radio wave sa hanay ng microwave (milimetro at sentimetro). Samakatuwid, ang bagay na nagpapalabas ng radiation na ito ay mas malayo sa atin kaysa sa anumang nakikitang mga bagay - mga kalawakan, quasar, atbp. Ang pag-alala sa simulain na "mas malayo sa kalawakan, mas malalim sa panahon," napupunta tayo sa konklusyon na Ang Uniberso ay ganap na malabo sa malalim na nakaraan, noong ang mga bituin at kalawakan ay hindi pa nabuo; at dahil malabo, ibig sabihin ay napakasiksik. Ang microwave background radiation ay isang relic na natitira sa malayong panahon na iyon.

Tandaan na ang halos perpektong homogeneity ng radiation na ito ay ang pinakamahusay na argumento na pabor sa cosmological na prinsipyo, pabor sa homogeneity ng Universe sa malalaking sukat.

Ipakita natin ang ilang quantitative data sa cosmic microwave background radiation. Ayon sa batas ni Wien, ang temperatura ng radiation ng blackbody na may wavelength kung saan nangyayari ang maximum na intensity λ max ay kinakalkula ng formula

Para sa relict radiation λ max =0.1 cm Ang average na enerhiya ng isang quantum ng radiation na ito ay humigit-kumulang 1.05·10 -22 J. Sa kasalukuyan, mayroong humigit-kumulang 4·10 8 relict photon sa bawat cubic meter. Ito ay halos isang bilyong beses na higit pa kaysa sa mga particle ng ordinaryong bagay (mas tiyak, mga proton; ang ibig sabihin namin, siyempre, ang average na density).

Pagbabago sa temperatura ng cosmic microwave background radiation sa paglipas ng panahon

Upang patunayan ang palagay ni Gamow tungkol sa unang mainit na estado ng Uniberso, gagamitin namin ang data sa cosmic microwave background radiation. Subukan nating maunawaan kung ano ang kanyang temperatura sa nakaraan. Sa madaling salita, alamin natin kung anong temperatura ng cosmic microwave background radiation ang itatala ng isang observer sa isang galaxy na may redshift z. Upang gawin ito, gumagamit kami ng formula (2.1) λ=λ 0 (1+z), na nagpapakita ng dependence ng wavelength ng anumang (kabilang ang relict microwave background) radiation na naglalakbay sa intergalactic space sa redshift z, at Wien's law (5.2) T·λ max =0.29 K cm. Ang pagsasama-sama ng mga formula na ito, nakita namin na sa redshift z ang temperatura ng CMB radiation T ay

T(z)=T 0 (1+z),

(5.3)

Kung saan ang T 0 =2.728 K ay ang kasalukuyang temperatura (i.e. sa z=0). Mula sa pormula na ito ay sumusunod na dati ang temperatura ng cosmic microwave background radiation ay mas mataas kaysa sa ngayon.

Mayroon ding mga direktang pang-eksperimentong pagkumpirma ng pattern na ito. Ginamit ng isang grupo ng mga Amerikanong siyentipiko ang pinakamalaking teleskopyo ng Keck sa mundo (sa Hawaii) na may salamin na may diameter na 10 metro upang makakuha ng spectra ng dalawang quasar na may mga redshift na z=1.776 at z=1.973. Tulad ng natuklasan ng mga siyentipikong ito, ang mga parang multo na linya ng mga bagay na ito ay nagpapakita na sila ay na-irradiated ng thermal radiation na may temperatura na 7.4 ± 0.8 K at 7.9 ± 1.1 K, ayon sa pagkakabanggit, na mahusay na sumasang-ayon sa temperatura ng cosmic microwave background radiation na inaasahan. mula sa formula (5.3): T(1.776) =7.58 K at T(1.973)=8.11 K. Kasabay nito, sa pamamagitan ng paraan, ang mga katotohanang ito ay nagbibigay ng karagdagang argumento na pabor sa katotohanan na ang radiation ng background ng microwave ay dumarating sa atin mula sa ang pinakalalim ng Uniberso.

. Georgy Antonovich Gamov (1904-1968).

Ang mas malapit sa Big Bang, mas mainit ang cosmic microwave background radiation. Sa z~1000 (ang redshift na ito ay tumutugma sa isang panahon na 300 libong taon ang layo mula sa Big Bang), ang temperatura nito ay T~3000 K, at mayroong mga 4·10 17 relict photon sa bawat cubic meter. Ang gayong malakas na radiation ay dapat na nag-ionize ng lahat ng gas na umiiral sa oras na iyon. Kaya, sa malayong nakaraan ng Uniberso, hindi maaaring umiral ang mga bituin, at ang lahat ng bagay ay isang siksik, mainit, opaque na plasma..

Ang pahayag na ito ang bumubuo sa kakanyahan ng teorya ng mainit na Uniberso, ang mga pundasyon na kung saan ay inilatag ng natitirang physicist na si Georgy Antonovich Gamov, na ipinanganak at nag-aral sa ating bansa, ay naging tanyag bilang isang physicist dito, ngunit pinilit na lumipat sa USA sa mga taon ng panunupil ng Stalinist. Ang teoryang ito ay maikling tinalakay sa bahaging ito.

Microwave background radiation (relict radiation)

- space radiation na may spectrum na katangian ng isang temperatura na humigit-kumulang. ZK; tinutukoy ang intensity ng background radiation ng Uniberso sa short-wave radio range (sa centimeter, millimeter at submillimeter waves). Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pinakamataas na antas ng isotropy (ang intensity ay halos pareho sa lahat ng direksyon). Pagtuklas ng M. f. At. (A. Penzias, R. Wilson, 1965, USA) kinumpirma ang tinatawag na. , ay nagbigay ng pinakamahalagang eksperimentong ebidensya na pabor sa konsepto ng isotropy ng pagpapalawak ng Uniberso at ang homogeneity nito sa malalaking sukat (tingnan).

Ayon sa modelo ng mainit na Uniberso, ang bagay ng lumalawak na Uniberso noon ay may mas mataas na densidad kaysa ngayon, at napakataas na temperatura. Sa T> 10 8 K pangunahin, na binubuo ng mga proton, helium ions at electron, patuloy na naglalabas, nagkakalat at sumisipsip ng mga photon, ay nasa kumpletong paglabas. Sa kasunod na pagpapalawak ng Uniberso, bumaba ang temperatura ng plasma at radiation. Ang pakikipag-ugnayan ng mga particle na may mga photon ay wala nang oras upang makabuluhang maimpluwensyahan ang spectrum ng radiation sa panahon ng katangian ng pagpapalawak ng oras (ang Uniberso sa mga tuntunin ng bremsstrahlung sa oras na ito ay naging mas mababa kaysa sa pagkakaisa). Gayunpaman, kahit na sa kumpletong kawalan ng pakikipag-ugnayan ng radiation sa bagay sa panahon ng pagpapalawak ng Uniberso, ang black-body spectrum ng radiation ay nananatiling black-body, tanging ang temperatura ng radiation ay bumababa. Habang ang temperatura ay lumampas sa 4000 K, ang pangunahing sangkap ay ganap na na-ionize, ang hanay ng mga photon mula sa isang nakakalat na kaganapan patungo sa isa pa ay mas mababa. Sa 4000 K, nawala ang mga proton at electron, ang plasma ay naging isang pinaghalong neutral na hydrogen at helium atoms, at ang Uniberso ay naging ganap na transparent sa radiation. Sa panahon ng karagdagang pagpapalawak nito, ang temperatura ng radiation ay patuloy na bumababa, ngunit ang itim na katawan ng radiation ay napanatili bilang isang relic, bilang isang "alaala" ng maagang yugto ng ebolusyon ng mundo. Ang radiation na ito ay unang natuklasan sa isang alon na 7.35 cm, at pagkatapos ay sa iba pang mga alon (mula sa 0.6 mm hanggang 50 cm).

Temperatura ng M.f. At. na may katumpakan na 10% ito ay naging katumbas ng 2.7 K. Avg. ang enerhiya ng mga photon ng radiation na ito ay napakababa - 3000 beses na mas mababa kaysa sa enerhiya ng mga photon ng nakikitang liwanag, ngunit ang bilang ng mga photon ay M. f. At. Napakalaki. Para sa bawat atom sa Uniberso mayroong ~ 10 9 photon ng M.f. At. (sa average na 400-500 photon bawat 1 cm3).

Kasama ang direktang paraan para sa pagtukoy ng temperatura ng M. f. At. - ayon sa curve ng pamamahagi ng enerhiya sa spectrum ng radiation (tingnan), mayroon ding hindi direktang pamamaraan - ayon sa populasyon ng mas mababang antas ng enerhiya ng mga molekula sa interstellar medium. Kapag ang isang photon ay hinihigop ng M.f. At. gumagalaw ang molekula mula sa base. estado sa isang nasasabik na estado. Kung mas mataas ang temperatura ng radiation, mas mataas ang density ng mga photon na may sapat na enerhiya upang pukawin ang mga molekula, at mas malaki ang kanilang proporsyon sa antas ng nasasabik. Sa pamamagitan ng bilang ng mga nasasabik na molekula (populasyon ng mga antas) maaaring hatulan ng isa ang temperatura ng kapana-panabik na radiation. Kaya, optical obserbasyon. Ang mga linya ng pagsipsip ng interstellar cyan (CN) ay nagpapakita na ang mas mababang antas ng enerhiya nito ay napupuno na parang ang mga molekula ng CN ay nasa larangan ng tatlong-degree na blackbody radiation. Ang katotohanang ito ay itinatag (ngunit hindi lubos na nauunawaan) noong 1941, matagal bago ang pagtuklas ng M. f. At. direktang mga obserbasyon.

Wala sa mga bituin at radio galaxies, o mainit na intergalactic. gas, o ang muling paglabas ng nakikitang liwanag sa pamamagitan ng interstellar dust ay makakapagdulot ng radiation na papalapit sa magnetic f. i.: ang kabuuang enerhiya ng radiation na ito ay masyadong mataas, at ang spectrum nito ay hindi katulad ng alinman sa spectrum ng mga bituin o spectrum ng mga pinagmumulan ng radyo (Fig. 1). Ito, pati na rin ang halos kumpletong kawalan ng intensity fluctuations sa buong celestial sphere (maliit na angular fluctuations), ay nagpapatunay sa cosmological, relict na pinagmulan ng magnetic f. At.

Pagbabago-bago ng M. f. At.
Ang pagtuklas ng maliliit na pagkakaiba sa intensity ng M. f. i., na natanggap mula sa iba't ibang bahagi ng celestial sphere, ay magbibigay-daan sa amin na gumuhit ng ilang mga konklusyon tungkol sa likas na katangian ng mga pangunahing kaguluhan sa bagay, na kasunod na humantong sa pagbuo ng mga kalawakan at mga kumpol ng mga kalawakan. Ang mga modernong kalawakan at ang kanilang mga kumpol ay nabuo bilang isang resulta ng paglaki ng hindi gaanong kabuluhan na mga inhomogeneities ng amplitude sa density ng bagay na umiral bago ang recombination ng hydrogen sa Uniberso. Para sa anumang cosmological modelo, mahahanap ng isa ang batas ng paglaki ng amplitude ng inhomogeneities sa panahon ng pagpapalawak ng Uniberso. Kung alam mo kung ano ang mga amplitudes ng inhomogeneity ng substance sa sandali ng recombination, maaari mong itatag kung gaano katagal ang mga ito upang lumago at maging sa pagkakasunud-sunod ng pagkakaisa. Pagkatapos nito, ang mga lugar na may densidad na mas mataas kaysa sa karaniwan ay dapat na namumukod-tangi mula sa pangkalahatang lumalawak na background at nagbunga ng mga kalawakan at kanilang mga kumpol. Ang relict radiation lamang ang maaaring "magsabi" tungkol sa amplitude ng paunang density ng inhomogeneities sa sandali ng recombination. Dahil bago ang recombination ang radiation ay mahigpit na isinama sa matter (electrons scattered photon), inhomogeneities sa spatial distribution ng matter ay humantong sa inhomogeneities sa radiation energy density, ibig sabihin, sa mga pagkakaiba sa temperatura ng radiation sa mga rehiyon ng Uniberso ng iba't ibang densidad. Kapag, pagkatapos ng recombination, ang sangkap ay tumigil sa pakikipag-ugnayan sa radiation at naging transparent dito, M. f. At. dapat ay napanatili ang lahat ng impormasyon tungkol sa density inhomogeneities sa Uniberso sa panahon ng recombination. Kung ang inhomogeneities ay umiral, kung gayon ang temperatura ng M. f. At. dapat magbago at depende sa direksyon ng pagmamasid. Gayunpaman, ang mga eksperimento upang matukoy ang mga inaasahang pagbabago ay wala pang sapat na mataas na katumpakan. Nagbibigay lamang ang mga ito ng mga pinakamataas na limitasyon para sa mga halaga ng pagbabago. Sa maliliit na angular na kaliskis (mula sa isang minuto ng arko hanggang anim na degree ng arko), ang mga pagbabagu-bago ay hindi lalampas sa 10 -4 K. Ang paghahanap para sa pagbabagu-bago ng magnetic f. At. ay kumplikado din sa katotohanan na ang mga discrete cosmic na elemento ay nag-aambag sa mga pagbabago sa background. mga mapagkukunan ng radyo, ang radiation ng kapaligiran ng Earth ay nagbabago, atbp. Ang mga eksperimento sa malalaking angular na kaliskis ay nagpakita rin na ang temperatura ng M. f. At. praktikal na independyente sa direksyon ng pagmamasid: ang mga paglihis ay hindi lalampas sa K. Ang data na nakuha ay naging posible upang mabawasan ang pagtatantya ng antas ng anisotropy ng paglawak ng Uniberso ng 100 beses kumpara sa pagtatantya mula sa mga direktang obserbasyon ng "nagkakalat" na mga kalawakan .

M. f. At. bilang "bagong eter".
M. f. At. isotropic lamang sa coordinate system na nauugnay sa "scattering" galaxy, sa tinatawag na. kasamang sistema ng sanggunian (lumalawak ang sistemang ito kasama ng Uniberso). Sa anumang iba pang sistema ng coordinate, ang intensity ng radiation ay nakasalalay sa direksyon. Ang katotohanang ito ay nagbubukas ng posibilidad ng pagsukat ng bilis ng Araw na may kaugnayan sa sistema ng coordinate na nauugnay sa magnetic field. At. Sa katunayan, dahil sa epekto ng Doppler, ang mga photon na nagpapalaganap patungo sa isang gumagalaw na tagamasid ay may mas mataas na enerhiya kaysa sa mga nakakakuha sa kanya, sa kabila ng katotohanan na sa isang sistema na nauugnay sa magnetic f. i., ang kanilang mga enerhiya ay pantay. Samakatuwid, ang temperatura ng radiation para sa naturang tagamasid ay lumalabas na nakasalalay sa direksyon: , kung saan T 0 - Miy sa buong temperatura ng radiation ng kalangitan, v- ang bilis ng tagamasid, - ang anggulo sa pagitan ng bilis ng vector at ang direksyon ng pagmamasid.

Ang dipole anisotropy ng cosmic microwave background radiation, na nauugnay sa paggalaw ng Solar system na may kaugnayan sa larangan ng radiation na ito, ay matatag na ngayon (Larawan 2): sa direksyon ng konstelasyon na Leo, ang temperatura ng M f. At. ay 3.5 mK na mas mataas kaysa sa average, at sa kabaligtaran ng direksyon (ang konstelasyon na Aquarius) ay ang parehong halaga na mas mababa sa average. Dahil dito, ang Araw (kasama ang Earth) ay gumagalaw na may kaugnayan sa magnetic function. At. sa bilis ng approx. 400 km/s patungo sa konstelasyon na Leo. Ang katumpakan ng mga obserbasyon ay napakataas kaya naitala ng mga eksperimento ang bilis ng Earth sa paligid ng Araw bilang 30 km/s. Isinasaalang-alang ang bilis ng paggalaw ng Araw sa paligid ng gitna ng Galaxy ay ginagawang posible upang matukoy ang bilis ng paggalaw ng Galaxy na may kaugnayan sa magnetic f. At. Ito ay 600 km/s. Sa prinsipyo, mayroong isang paraan na nagbibigay-daan sa isa upang matukoy ang mga bilis ng mayayamang kumpol ng kalawakan na may kaugnayan sa CMB (tingnan).

Spectrum M. f. At.
Sa Fig. Ipinapakita sa talahanayan 1 ang umiiral na data ng eksperimentong M. f. At. at ang Planck curve ng pamamahagi ng enerhiya sa spectrum ng equilibrium radiation ng isang ganap na itim na katawan na may temperatura na 2.7 K. Ang mga posisyon ng mga eksperimentong punto ay naaayon sa mga teoretikal. baluktot. Nagbibigay ito ng malakas na suporta para sa mainit na modelo ng Universe.

Tandaan na sa hanay ng centimeter at decimeter waves, ang mga sukat ng M. f. At. posible mula sa ibabaw ng Earth gamit ang mga radio teleskopyo. Sa milimetro at lalo na sa mga saklaw ng submillimeter, ang radiation ng atmospera ay nakakasagabal sa mga obserbasyon ng magnetic physics. i., samakatuwid, ang mga sukat ay isinasagawa ng broadband, na naka-mount sa mga lobo (silindro) at mga rocket. Mahalagang data sa spectrum ng M. f. At. sa rehiyon ng milimetro ay nakuha mula sa mga obserbasyon ng mga linya ng pagsipsip ng mga molekula ng interstellar medium sa spectra ng mainit na mga bituin. Ito pala ang pangunahing kontribusyon sa density ng enerhiya ng M. f. At. gumagawa ng radiation mula 6 hanggang 0.6 mm, ang temperatura nito ay malapit sa 3 K. Sa hanay ng wavelength na ito, ang density ng enerhiya ng magnetic f. At. =0.25 eV/cm 3 .

Marami sa mga kosmolohiya ang mga teorya at teorya ng pagbuo ng kalawakan, na isinasaalang-alang ang mga proseso ng bagay at antimatter, ang pagwawaldas ng nabuo, malakihang potensyal na paggalaw, ang pagsingaw ng mga pangunahing maliliit na masa, ang pagkabulok ng mga hindi matatag, hinuhulaan nila. paglabas ng enerhiya sa mga unang yugto ng pagpapalawak ng Uniberso. Kasabay nito, ang anumang paglabas ng enerhiya align="absmiddle" width="127" height="18"> sa yugto kung kailan ang temperatura ng M.f. At. iba-iba mula hanggang 3 K, dapat ay kapansin-pansing nadistort ang blackbody spectrum nito. Kaya, ang spectrum ng M. f. At. nagdadala ng impormasyon tungkol sa thermal history ng Uniberso. Bukod dito, ang impormasyong ito ay lumalabas na naiiba: ang paglabas ng enerhiya sa bawat isa sa tatlong yugto ng pagpapalawak (K; 3T 4000 K). Napakakaunti lamang ng mga masipag na photon (~10 -9 ng kanilang kabuuang bilang). Samakatuwid, ang recombination radiation na nagmumula sa panahon ng pagbuo ng mga neutral na atomo ay dapat na lubos na nasira ang spectrum ng magnetic field. At. sa mga alon na 250 microns.

Ang sangkap ay maaaring makaranas ng isa pang pag-init sa panahon ng pagbuo ng mga kalawakan. Spectrum M. f. At. kasabay nito, maaari rin itong magbago, dahil ang pagkalat ng mga relict photon ng mainit na mga electron ay nagpapataas ng enerhiya ng mga photon (tingnan). Ang mga partikular na malakas na pagbabago ay nangyayari sa kasong ito sa maikling alon na rehiyon ng spectrum. Isa sa mga kurba na nagpapakita ng posibleng pagbaluktot ng spectrum ng M. f. i., ipinapakita sa Fig. 1 (dashed curve). Magagamit na mga pagbabago sa spectrum ng M. f. At. ay nagpakita na ang pangalawang pag-init ng bagay sa Uniberso ay naganap nang mas huli kaysa sa recombination.

M. f. At. at mga cosmic ray.

Cosmic ray (protons at high-energy nuclei; ultra-relativistic electron na tumutukoy sa radio emission ng ating at iba pang mga galaxy sa hanay ng metro) ay nagdadala ng impormasyon tungkol sa mga higanteng proseso ng pagsabog sa mga bituin at galactic nuclei, kung saan sila ipinanganak. Tulad ng nangyari, ang buhay ng mga particle na may mataas na enerhiya sa Uniberso ay higit na nakasalalay sa mga photon ng magnetic field. i., pagkakaroon ng mababang enerhiya, ngunit napakarami - mayroong isang bilyong beses na higit pa sa mga ito kaysa sa mga atomo sa Uniberso (ang ratio na ito ay pinananatili sa panahon ng pagpapalawak ng Uniberso). Sa banggaan ng ultrarelativistic electron, cosmic. sinag na may mga photon M.f. At. isang muling pamamahagi ng enerhiya at momentum ay nangyayari. Ang enerhiya ng photon ay tumataas nang maraming beses, at ang radio photon ay nagiging isang x-ray photon. radiation, ang enerhiya ng elektron ay hindi gaanong nagbabago. Habang paulit-ulit ang prosesong ito nang maraming beses, unti-unting nawawala ang lahat ng enerhiya ng elektron. Naobserbahan mula sa mga satellite at X-ray rockets. lumilitaw na ang background radiation ay dahil sa prosesong ito.

Ang mga proton at nuclei ng mga ultra-high na enerhiya ay napapailalim din sa impluwensya ng M. f. i.: kapag bumangga sa kanila, ang mga nuclei ay nahati, at ang mga banggaan sa mga proton ay humahantong sa pagsilang ng mga bagong particle (mga pares ng electron-positron, -mesons, atbp.). Bilang isang resulta, ang enerhiya ng proton ay mabilis na bumababa sa threshold, sa ibaba kung saan ang kapanganakan ng mga particle ay nagiging imposible ayon sa mga batas ng konserbasyon ng enerhiya at momentum. Ito ay sa mga prosesong ito na praktikal kawalan sa kalawakan ray ng mga particle na may enerhiya na 10-20 eV, pati na rin ang isang maliit na bilang ng mabibigat na nuclei.

Lit.:
Zeldovich Ya.B., "Hot" na modelo ng Uniberso, UFN, 1966, v. 89, v. 4, p. 647; Weinberg S., Ang unang tatlong minuto, trans. mula sa English, M., 1981.

CMB radiation-cosmic electromagnetic radiation na may mataas na antas ng isotropy at may spectrum na katangian ng isang ganap na itim na katawan na may temperatura? 2.725 K. Ang CMB ay hinulaan nina G. Gamow, R. Alpher at R. Hermann noong 1948 batay sa unang teorya ng Big Bang na kanilang nilikha. Nagawa nina Alpher at Herman na ang temperatura ng cosmic microwave background radiation ay dapat na 5 K, at gumawa ng hula si Gamow sa 3 K. Kahit na ang ilang mga pagtatantya ng temperatura ng espasyo ay umiral noon, mayroon silang ilang mga pagkukulang. Una, ang mga ito ay mga sukat lamang ng epektibong temperatura ng espasyo; Pangalawa, sila ay umaasa sa aming partikular na lokasyon sa gilid ng Galaxy at hindi ipinapalagay na ang radiation ay isotropic. Bukod dito, magbibigay sila ng ganap na magkakaibang mga resulta kung ang Earth ay matatagpuan sa ibang lugar sa Uniberso. Ni G. Gamow mismo o marami sa kanyang mga tagasunod ay hindi nagtaas ng tanong tungkol sa eksperimentong pagtuklas ng cosmic microwave background radiation. Tila, naniniwala sila na ang radiation na ito ay hindi matukoy, dahil ito ay "nalunod" sa mga daloy ng enerhiya na dinala sa lupa sa pamamagitan ng radiation ng mga bituin at cosmic ray.

Ang posibilidad ng pag-detect ng cosmic microwave background radiation laban sa background ng radiation mula sa mga galaxy at bituin sa rehiyon ng centimeter radio waves ay pinatunayan ng mga kalkulasyon ni A.G. Doroshkevich at I.D. Novikov, na isinagawa sa mungkahi ni Ya.B. Zeldovich noong 1964, i.e. isang taon bago matuklasan sina A. Pepzias at R. Wilson.

Noong 1965, binuo nina Arno Penzias at Robert Woodrow Wilson ang Dicke radiometer, na nilayon nilang gamitin hindi para sa paghahanap ng cosmic microwave background radiation, ngunit para sa mga eksperimento sa radio astronomy at satellite communications. Kapag na-calibrate ang aparato, lumabas na ang antenna ay may labis na temperatura na 3.5 K na hindi nila maipaliwanag. Ang bahagyang ingay na background ay hindi nagbago alinman mula sa direksyon o mula sa oras ng pagpapatakbo. Noong una ay nagpasya sila na ito ay likas na ingay sa kagamitan. Ang teleskopyo ng radyo ay binuwag at ang "pagpupuno" nito ay paulit-ulit na sinubukan. Nasaktan ang pagmamataas ng mga inhinyero, at samakatuwid ang tseke ay napunta sa huling detalye, hanggang sa huling paghihinang. Lahat ay inalis. Muli nila itong tinipon - nagpatuloy ang ingay. Pagkatapos ng maraming deliberasyon, ang mga theorist ay dumating sa konklusyon na ang radiation na ito ay maaaring walang iba kundi ang isang palaging background ng cosmic radio emission na pumupuno sa Uniberso sa isang tuluy-tuloy na stream. Nakatanggap ng tawag mula kay Holdmdale, sinabi ni Dicke: "Naka-jackpot kami, mga lalaki." Ang isang pulong sa pagitan ng mga koponan ng Princeton at Holmdale ay nagpasiya na ang temperatura ng antena ay sanhi ng cosmic microwave background radiation. Kinakalkula ng mga astrophysicist na ang ingay ay tumutugma sa temperatura na humigit-kumulang 3 degrees Kelvin at “naririnig sa iba't ibang frequency. Noong 1978, natanggap ni Penzias at Wilson ang Nobel Prize para sa kanilang pagtuklas. Maiisip kung paano nagalak ang mga tagasuporta ng "mainit" na modelo nang dumating ang mensaheng ito. Ang pagtuklas na ito ay hindi lamang pinalakas ang posisyon ng "mainit" na modelo. Ang relict radiation ay naging posible na bumaba mula sa yugto ng panahon ng mga quasar (8-10 bilyong taon) sa isang hakbang na tumutugma sa 300 libong taon mula sa mismong "simula". Kasabay nito, ang ideya ay nakumpirma na ang Uniberso ay dating may density ng isang bilyong beses na mas mataas kaysa sa ngayon. Ito ay kilala na ang pinainit na bagay ay palaging naglalabas ng mga photon. Ayon sa pangkalahatang mga batas ng thermodynamics, ito ay nagpapakita ng pagnanais para sa isang estado ng balanse kung saan ang saturation ay nakakamit: ang kapanganakan ng mga bagong photon ay binabayaran ng reverse na proseso, ang pagsipsip ng mga photon sa pamamagitan ng bagay, upang ang kabuuang bilang ng mga photon sa hindi nagbabago ang medium. Ang "photon gas" na ito ay pantay na pumupuno sa buong Uniberso. Ang temperatura ng gas ng mga photon ay malapit sa absolute zero - mga 3 Kelvin, ngunit ang enerhiya na nakapaloob dito ay mas malaki kaysa sa liwanag na enerhiya na ibinubuga ng lahat ng mga bituin sa kanilang buhay. Para sa bawat cubic centimeter ng espasyo sa Uniberso mayroong humigit-kumulang limang daang quanta ng radiation, at ang kabuuang bilang ng mga photon sa loob ng nakikitang Uniberso ay ilang bilyong beses na mas malaki kaysa sa kabuuang bilang ng mga particle ng matter, i.e. atoms, nuclei, electron na bumubuo sa mga planeta, bituin at kalawakan. Ang pangkalahatang background radiation ng Uniberso ay tinatawag na may magaan na kamay ni I.S. Shklovsky, relict, i.e. nalalabi, na isang labi, isang relic ng siksik at mainit na paunang estado ng Uniberso. Sa pag-aakalang mainit ang usapin ng sinaunang Uniberso, si G. Hinulaan ni Gamow na ang mga photon, na noon ay nasa thermodynamic equilibrium sa matter, ay dapat manatili sa modernong panahon. Ang mga photon na ito ay direktang nakita noong 1965. Naranasan ang pangkalahatang pagpapalawak at nauugnay na paglamig, ang gas ng mga photon ay bumubuo na ngayon ng background radiation ng Uniberso, na dumarating sa amin nang pantay-pantay mula sa lahat ng panig. Ang quantum ng background ng cosmic microwave ay walang rest mass, tulad ng anumang quantum ng electromagnetic radiation, ngunit may enerhiya, at samakatuwid, ayon sa sikat na formula ni Einstein E=Ms?, at ang masa na tumutugma sa enerhiya na ito. Para sa karamihan ng relict quanta, ang masa na ito ay napakaliit: mas mababa kaysa sa masa ng isang hydrogen atom, ang pinakakaraniwang elemento ng mga bituin at kalawakan. Samakatuwid, sa kabila ng makabuluhang predominance sa bilang ng mga particle, ang cosmic microwave background radiation ay mas mababa sa mga bituin at galaxy sa mga tuntunin ng kontribusyon sa kabuuang masa ng Uniberso. Sa modernong panahon, ang density ng radiation ay 3 * 10 -34 g/cm 3, na humigit-kumulang isang libong beses na mas mababa kaysa sa average na density ng bagay sa mga kalawakan. Ngunit hindi ito palaging nangyayari - sa malayong nakaraan ng Uniberso, ang mga photon ay gumawa ng pangunahing kontribusyon sa density nito. Ang katotohanan ay sa panahon ng pagpapalawak ng kosmolohiya, ang density ng radiation ay bumababa nang mas mabilis kaysa sa density ng bagay. Sa prosesong ito, hindi lamang ang konsentrasyon ng mga photon ay bumababa (sa parehong rate ng konsentrasyon ng mga particle), ngunit ang average na enerhiya ng isang photon ay bumababa din, dahil ang temperatura ng gas ng mga photon ay bumababa sa panahon ng pagpapalawak. Sa kasunod na pagpapalawak ng Uniberso, bumaba ang temperatura ng plasma at radiation. Ang pakikipag-ugnayan ng mga particle na may mga photon ay wala nang oras upang makabuluhang maimpluwensyahan ang spectrum ng paglabas sa panahon ng katangian ng pagpapalawak. Gayunpaman, kahit na sa kumpletong kawalan ng interaksyon sa pagitan ng radiation at matter sa panahon ng pagpapalawak ng Uniberso, ang black-body spectrum ng radiation ay nananatiling black-body lamang ang bumababa. Habang ang temperatura ay lumampas sa 4000 K, ang pangunahing bagay ay ganap na na-ionize, ang hanay ng mga photon mula sa isang nakakalat na kaganapan patungo sa isa pa ay mas mababa kaysa sa abot-tanaw ng Uniberso. Sa T ? 4000K ang mga proton at electron ay muling pinagsama, ang plasma ay naging isang pinaghalong neutral na hydrogen at helium atoms, at ang Uniberso ay naging ganap na transparent sa radiation. Sa panahon ng karagdagang pagpapalawak nito, ang temperatura ng radiation ay patuloy na bumababa, ngunit ang itim na katawan ng radiation ay napanatili bilang isang relic, bilang isang "alaala" ng maagang panahon ng ebolusyon ng mundo. Ang radiation na ito ay unang natuklasan sa isang alon na 7.35 cm, at pagkatapos ay sa iba pang mga alon (mula sa 0.6 mm hanggang 50 cm).

Ang mga bituin at radio galaxies, o ang mainit na intergalactic gas, o ang muling pagpapalabas ng nakikitang liwanag ng interstellar dust ay hindi makakapagdulot ng radiation na papalapit sa mga katangian ng microwave background radiation: ang kabuuang enerhiya ng radiation na ito ay masyadong mataas, at ang spectrum nito ay hindi katulad ng alinman sa spectrum ng mga bituin o spectrum ng mga pinagmumulan ng radyo. Ito, pati na rin ang halos kumpletong kawalan ng intensity fluctuations sa buong celestial sphere (small-scale angular fluctuations), ay nagpapatunay sa cosmological, relict na pinagmulan ng microwave background radiation.

Ang background radiation ay isotropic lamang sa coordinate system na nauugnay sa "scattering" galaxy, sa tinatawag na. kasamang sistema ng sanggunian (lumalawak ang sistemang ito kasama ng Uniberso). Sa anumang iba pang sistema ng coordinate, ang intensity ng radiation ay nakasalalay sa direksyon. Ang katotohanang ito ay nagbubukas ng posibilidad ng pagsukat ng bilis ng Araw na may kaugnayan sa sistema ng coordinate na nauugnay sa radiation ng background ng microwave. Sa katunayan, dahil sa epekto ng Doppler, ang mga photon na nagpapalaganap patungo sa isang gumagalaw na tagamasid ay may mas mataas na enerhiya kaysa sa mga nakakakuha sa kanya, sa kabila ng katotohanan na sa isang sistema na nauugnay sa m.f. i., ang kanilang mga enerhiya ay pantay. Samakatuwid, ang temperatura ng radiation para sa naturang tagamasid ay lumalabas na nakasalalay sa direksyon. Ang dipole anisotropy ng cosmic microwave background radiation, na nauugnay sa paggalaw ng Solar system na may kaugnayan sa larangan ng radiation na ito, ay matatag na ngayon: sa direksyon ng konstelasyon na Leo, ang temperatura ng relict radiation ay 3.5 mK na mas mataas. kaysa sa average, at sa kabilang direksyon (ang konstelasyon na Aquarius) ito ay ang parehong halaga sa ibaba ng average . Dahil dito, ang Araw (kasama ang Earth) ay gumagalaw na may kaugnayan sa m.f. At. sa bilis na humigit-kumulang 400 km/s patungo sa konstelasyon na Leo. Ang katumpakan ng mga obserbasyon ay napakataas kaya naitala ng mga eksperimento ang bilis ng Earth sa paligid ng Araw bilang 30 km/s. Isinasaalang-alang ang bilis ng Araw sa paligid ng gitna ng Galaxy ay nagbibigay-daan sa amin upang matukoy ang bilis ng Galaxy na may kaugnayan sa background radiation. Ang Far-Infrared Radiation Spectrophotometer (FIRAS) sa satellite ng Cosmic Background Explorer (COBE) ng NASA ay gumawa ng mga tumpak na sukat ng spectrum ng cosmic microwave background radiation. Ang mga sukat na ito ay ang pinakatumpak na mga sukat ng spectrum ng itim na katawan hanggang sa kasalukuyan. Ang pinakadetalyadong mapa ng cosmic microwave background radiation ay itinayo bilang resulta ng gawain ng American WMAP spacecraft.

Ang spectrum ng cosmic microwave background radiation na pumupuno sa Uniberso ay tumutugma sa spectrum ng radiation mula sa isang ganap na itim na katawan na may temperatura na 2.725 K. Ang maximum nito ay nangyayari sa dalas ng 160.4 GHz, na tumutugma sa isang wavelength na 1.9 mm. Ito ay isotropic sa loob ng 0.001% - ang karaniwang paglihis ng temperatura ay humigit-kumulang 18 μK. Hindi isinasaalang-alang ng halagang ito ang dipole anisotropy (ang pagkakaiba sa pagitan ng pinakamalamig at pinakamainit na rehiyon ay 6.706 mK) na sanhi ng Doppler frequency shift ng radiation dahil sa sarili nating bilis na nauugnay sa coordinate system na nauugnay sa CMB. Ang dipole anisotropy ay tumutugma sa paggalaw ng solar system patungo sa konstelasyon na Virgo sa bilis na? 370 km/s.

CMB radiation

Ang extragalactic microwave background radiation ay nangyayari sa frequency range mula 500 MHz hanggang 500 GHz, na tumutugma sa mga wavelength mula 60 cm hanggang 0.6 mm. Ang background radiation na ito ay nagdadala ng impormasyon tungkol sa mga prosesong naganap sa Uniberso bago ang pagbuo ng mga galaxy, quasar at iba pang mga bagay. Ang radiation na ito, na tinatawag na cosmic microwave background radiation, ay natuklasan noong 1965, bagama't hinulaan ito noong 40s ni George Gamow at pinag-aralan ng mga astronomo sa loob ng mga dekada.

Sa lumalawak na Uniberso, ang average na density ng bagay ay nakasalalay sa oras - sa nakaraan ito ay mas mataas. Gayunpaman, sa panahon ng pagpapalawak, hindi lamang ang density, kundi pati na rin ang thermal energy ng substance ay nagbabago, na nangangahulugang sa maagang yugto ng pagpapalawak ang Uniberso ay hindi lamang siksik, ngunit mainit din. Bilang kinahinatnan, sa ating panahon ay dapat magkaroon ng natitirang radiation, ang spectrum nito ay kapareho ng spectrum ng isang ganap na solidong katawan, at ang radiation na ito ay dapat na mataas na isotropic. Noong 1964, sina A.A. Penzias at R. Wilson, na sumusubok sa isang sensitibong antena ng radyo, ay natuklasan ang napakahina na background ng microwave radiation, na hindi nila maalis sa anumang paraan. Ang temperatura nito ay naging 2.73 K, na malapit sa hinulaang halaga. Mula sa mga eksperimento sa isotropy ipinakita na ang pinagmulan ng microwave background radiation ay hindi matatagpuan sa loob ng Galaxy, mula noon ay dapat na obserbahan ang isang konsentrasyon ng radiation patungo sa gitna ng Galaxy. Ang pinagmulan ng radiation ay hindi matatagpuan sa loob ng Solar system, dahil Magkakaroon ng pang-araw-araw na pagkakaiba-iba sa intensity ng radiation. Dahil dito, ginawa ang isang konklusyon tungkol sa extragalactic na katangian ng background radiation na ito. Kaya, ang hypothesis ng isang mainit na Uniberso ay nakatanggap ng isang obserbasyonal na batayan.

Upang maunawaan ang likas na katangian ng cosmic microwave background radiation, kinakailangan na bumaling sa mga proseso na naganap sa mga unang yugto ng pagpapalawak ng Uniberso. Isaalang-alang natin kung paano nagbago ang mga pisikal na kondisyon sa Uniberso sa panahon ng proseso ng pagpapalawak.

Ngayon ang bawat kubiko sentimetro ng espasyo ay naglalaman ng humigit-kumulang 500 relict photon, at may mas kaunting matter sa bawat volume. Dahil ang ratio ng bilang ng mga photon sa bilang ng mga baryon sa panahon ng pagpapalawak ay pinananatili, ngunit ang enerhiya ng mga photon sa panahon ng pagpapalawak ng Uniberso ay bumababa sa paglipas ng panahon dahil sa red shift, maaari nating tapusin na sa ilang oras sa nakaraan ang enerhiya mas malaki ang density ng radiation kaysa sa density ng enerhiya ng mga particle ng matter. Ang panahong ito ay tinatawag na yugto ng radiation sa ebolusyon ng Uniberso. Ang yugto ng radiation ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagkakapantay-pantay ng temperatura ng sangkap at radiation. Sa oras na iyon, ganap na tinutukoy ng radiation ang likas na katangian ng pagpapalawak ng Uniberso. Humigit-kumulang isang milyong taon pagkatapos magsimula ang pagpapalawak ng Uniberso, ang temperatura ay bumaba sa ilang libong degree at isang recombination ng mga electron, na dati nang mga libreng particle, ay naganap sa mga proton at helium nuclei, i.e. pagbuo ng mga atomo. Ang Uniberso ay naging transparent sa radiation, at ang radiation na ito na ngayon ay nakita natin at tinatawag na relict radiation. Totoo, mula noong panahong iyon, dahil sa pagpapalawak ng Uniberso, ang mga photon ay nabawasan ang kanilang enerhiya ng halos 100 beses. Sa matalinghagang pagsasalita, ang background ng cosmic microwave ay "nag-imprenta" sa panahon ng recombination at nagdadala ng direktang impormasyon tungkol sa malayong nakaraan.

Pagkatapos ng recombination, nagsimulang mag-evolve ang matter sa unang pagkakataon, anuman ang radiation, at nagsimulang lumitaw ang mga densidad dito - ang mga embryo ng hinaharap na mga kalawakan at ang kanilang mga kumpol. Ito ang dahilan kung bakit ang mga eksperimento upang pag-aralan ang mga katangian ng cosmic microwave background radiation - ang spectrum at spatial fluctuation nito - ay napakahalaga para sa mga siyentipiko. Ang kanilang mga pagsisikap ay hindi walang kabuluhan: noong unang bahagi ng 90s. Ang eksperimento sa espasyo ng Russia na Relikt-2 at ang American Kobe ay natuklasan ang mga pagkakaiba sa temperatura ng cosmic microwave background radiation ng mga kalapit na lugar ng kalangitan, at ang paglihis mula sa average na temperatura ay halos isang libong porsyento lamang. Ang mga pagkakaiba-iba ng temperatura na ito ay nagdadala ng impormasyon tungkol sa paglihis ng density ng bagay mula sa average na halaga sa panahon ng recombination epoch. Pagkatapos ng recombination, ang bagay sa Uniberso ay ipinamahagi nang halos pantay, at kung saan ang density ay hindi bababa sa bahagyang mas mataas sa average, ang pagkahumaling ay mas malakas. Ito ay mga pagkakaiba-iba ng density na kasunod na humantong sa pagbuo ng mga malalaking istruktura, mga kumpol ng kalawakan at mga indibidwal na kalawakan na naobserbahan sa Uniberso. Ayon sa mga modernong ideya, ang mga unang kalawakan ay dapat na nabuo sa isang panahon na tumutugma sa mga redshift mula 4 hanggang 8.

May pagkakataon bang tumingin pa sa panahon bago ang recombination? Hanggang sa sandali ng recombination, ito ay ang presyon ng electromagnetic radiation na pangunahing lumikha ng gravitational field na nagpabagal sa paglawak ng Uniberso. Sa yugtong ito, nag-iba ang temperatura sa kabaligtaran na proporsyon sa square root ng oras na lumipas mula noong nagsimula ang pagpapalawak. Isaalang-alang natin nang sunud-sunod ang iba't ibang yugto ng pagpapalawak ng sinaunang Uniberso.

Sa temperatura na humigit-kumulang 1013 Kelvin, ang mga pares ng iba't ibang mga particle at antiparticle ay ipinanganak at nilipol sa Uniberso: mga proton, neutron, meson, electron, neutrino, atbp. Nang bumaba ang temperatura sa 5*1012 K, halos lahat ng proton at neutron ay nilipol, nagiging radiation quanta; Tanging ang mga kung saan mayroong "hindi sapat" na mga antiparticle ang nanatili. Ito ay mula sa mga "labis" na mga proton at neutron na pangunahing binubuo ng bagay ng modernong nakikitang Uniberso.

Sa T = 2*1010 K, huminto sa pakikipag-ugnayan sa matter ang all-penetrating neutrino - mula sa sandaling iyon ay dapat na nanatili ang isang "relict neutrino background", na maaaring matukoy sa mga eksperimento sa neutrino sa hinaharap.

Ang lahat ng napag-usapan ay nangyari sa napakataas na temperatura sa unang segundo pagkatapos magsimula ang pagpapalawak ng Uniberso. Ilang segundo pagkatapos ng "kapanganakan" ng Uniberso, nagsimula ang panahon ng pangunahing nucleosynthesis, nang nabuo ang nuclei ng deuterium, helium, lithium at beryllium. Tumagal ito ng humigit-kumulang tatlong minuto, at ang pangunahing resulta nito ay ang pagbuo ng helium nuclei (25% ng masa ng lahat ng bagay sa Uniberso). Ang natitirang mga elemento, na mas mabigat kaysa sa helium, ay binubuo ng isang hindi gaanong bahagi ng sangkap - mga 0.01%.

Matapos ang panahon ng nucleosynthesis at bago ang panahon ng recombination (mga 106 na taon), isang tahimik na pagpapalawak at paglamig ng Uniberso ang naganap, at pagkatapos - daan-daang milyong taon pagkatapos ng simula - lumitaw ang mga unang kalawakan at bituin.

Sa nakalipas na mga dekada, ang pag-unlad ng kosmolohiya at elementarya na pisika ng particle ay naging posible upang teoretikal na isaalang-alang ang pinakaunang, "superdense" na panahon ng pagpapalawak ng Uniberso. Lumalabas na sa pinakadulo simula ng pagpapalawak, kapag ang temperatura ay hindi kapani-paniwalang mataas (higit sa 1028 K), ang Uniberso ay maaaring nasa isang espesyal na estado kung saan ito ay lumawak nang may pagbilis, at ang enerhiya sa bawat dami ng yunit ay nanatiling pare-pareho. Ang yugto ng pagpapalawak na ito ay tinatawag na inflationary. Ang ganitong estado ng bagay ay posible sa ilalim ng isang kondisyon - negatibong presyon. Ang yugto ng ultra-mabilis na pagpapalawak ng inflationary ay sumasakop sa isang maliit na yugto ng panahon: natapos ito sa mga 10–36 s. Ito ay pinaniniwalaan na ang tunay na "kapanganakan" ng elementarya na mga particle ng bagay sa anyo kung saan alam natin ang mga ito ngayon ay naganap pagkatapos lamang ng pagtatapos ng yugto ng inflationary at sanhi ng pagkabulok ng isang hypothetical field. Pagkatapos nito, ang pagpapalawak ng Uniberso ay nagpatuloy sa pamamagitan ng pagkawalang-galaw.

Sinasagot ng hypothesis ng inflationary universe ang ilang mahahalagang tanong sa kosmolohiya na hanggang kamakailan ay itinuturing na hindi maipaliwanag na mga kabalintunaan, lalo na ang tanong ng dahilan ng paglawak ng uniberso. Kung sa kasaysayan nito ang Uniberso ay talagang dumaan sa isang panahon kung saan nagkaroon ng malaking negatibong presyon, kung gayon ang gravity ay hindi maiiwasang magdulot ng hindi pagkahumaling, ngunit sa isa't isa na pagtanggi ng mga materyal na particle. At nangangahulugan ito na ang Uniberso ay nagsimulang lumawak nang mabilis, paputok. Siyempre, ang modelo ng inflationary Universe ay isang hypothesis lamang: kahit na ang isang hindi direktang pagpapatunay ng mga probisyon nito ay nangangailangan ng mga instrumento na hindi pa nagagawa. Gayunpaman, ang ideya ng pinabilis na pagpapalawak ng Uniberso sa pinakamaagang yugto ng ebolusyon nito ay matatag na pumasok sa modernong kosmolohiya.

Sa pagsasalita tungkol sa unang bahagi ng Uniberso, bigla tayong dinala mula sa pinakamalaking cosmic na kaliskis patungo sa rehiyon ng microworld, na inilalarawan ng mga batas ng quantum mechanics. Ang pisika ng elementarya na mga particle at ultra-high energies ay malapit na magkakaugnay sa kosmolohiya sa pisika ng higanteng astronomical system. Ang pinakamalaki at pinakamaliit ay konektado dito sa isa't isa. Ito ang kahanga-hangang kagandahan ng ating mundo, puno ng mga hindi inaasahang koneksyon at malalim na pagkakaisa.

Ang mga pagpapakita ng buhay sa Earth ay lubhang magkakaibang. Ang buhay sa Earth ay kinakatawan ng nuclear at prenuclear, single- at multicellular na nilalang; multicellular, sa turn, ay kinakatawan ng fungi, halaman at hayop. Alinman sa mga kaharian na ito ay pinag-iisa ang iba't ibang uri, klase, order, pamilya, genera, species, populasyon at indibidwal.

Sa lahat ng tila walang katapusang pagkakaiba-iba ng mga nabubuhay na bagay, maraming iba't ibang antas ng organisasyon ng mga nabubuhay na bagay ang maaaring makilala: molekular, cellular, tissue, organ, ontogenetic, populasyon, species, biogeocenotic, biosphere. Ang mga nakalistang antas ay naka-highlight para sa kadalian ng pag-aaral. Kung susubukan nating tukuyin ang mga pangunahing antas, na hindi sumasalamin sa mga antas ng pag-aaral bilang mga antas ng organisasyon ng buhay sa Earth, kung gayon ang pangunahing pamantayan para sa naturang pagkakakilanlan ay dapat na ang pagkakaroon ng mga partikular na elementarya, discrete na istruktura at elementarya na phenomena. Sa diskarteng ito, lumalabas na kinakailangan at sapat upang makilala ang molecular genetic, ontogenetic, populasyon-species at biogeocenotic na antas (N.V. Timofeev-Resovsky at iba pa).

Molecular genetic na antas. Kapag pinag-aaralan ang antas na ito, tila, ang pinakadakilang kalinawan ay nakamit sa kahulugan ng mga pangunahing konsepto, pati na rin sa pagkilala sa mga elementarya na istruktura at phenomena. Ang pag-unlad ng teorya ng chromosomal ng pagmamana, ang pagsusuri ng proseso ng mutation, at ang pag-aaral ng istraktura ng mga chromosome, phages at mga virus ay nagsiwalat ng mga pangunahing tampok ng organisasyon ng elementarya na mga istrukturang genetic at mga kaugnay na phenomena. Ito ay kilala na ang mga pangunahing istruktura sa antas na ito (mga code ng namamana na impormasyon na ipinadala mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon) ay ang DNA na naiba sa haba sa mga elemento ng code - mga triplet ng nitrogenous base na bumubuo ng mga gene.

Ang mga gene sa antas na ito ng organisasyon ng buhay ay kumakatawan sa mga elementarya na yunit. Ang pangunahing elementarya na phenomena na nauugnay sa mga gene ay maaaring ituring na kanilang mga lokal na pagbabago sa istruktura (mutations) at ang paglipat ng impormasyong nakaimbak sa kanila sa mga intracellular control system.

Ang convariant reduplication ay nangyayari ayon sa template na prinsipyo sa pamamagitan ng pagsira sa hydrogen bond ng DNA double helix na may partisipasyon ng enzyme DNA polymerase. Pagkatapos, ang bawat isa sa mga hibla ay bubuo ng isang kaukulang strand, pagkatapos nito ang mga bagong hibla ay magkakaugnay sa isa't isa. Ang prosesong ito ay isinasagawa nang napakabilis. Kaya, ang self-assembly ng Escherichia coli DNA, na binubuo ng humigit-kumulang 40 libong mga pares ng nucleotide, ay nangangailangan lamang ng 100 s. Ang genetic na impormasyon ay inililipat mula sa nucleus ng mga molekula ng mRNA patungo sa cytoplasm patungo sa mga ribosom at doon nakikilahok sa synthesis ng protina. Ang isang protina na naglalaman ng libu-libong amino acid ay na-synthesize sa isang buhay na cell sa loob ng 5-6 minuto, at mas mabilis sa bacteria.

Ang pangunahing mga sistema ng kontrol, kapwa sa panahon ng convariant reduplication at sa panahon ng intracellular information transfer, ay gumagamit ng "prinsipyo ng matrix", i.e. ay mga matrice sa tabi kung saan itinayo ang kaukulang mga tiyak na macromolecules. Sa kasalukuyan, ang code na naka-embed sa istraktura ng mga nucleic acid, na nagsisilbing isang matrix para sa synthesis ng mga tiyak na istruktura ng protina sa mga cell, ay matagumpay na natukoy. Ang reduplication, batay sa pagkopya ng matrix, ay pinapanatili hindi lamang ang genetic na pamantayan, kundi pati na rin ang mga paglihis mula dito, i.e. mutations (ang batayan ng proseso ng ebolusyon). Ang sapat na tumpak na kaalaman sa antas ng molekular na genetic ay isang kinakailangang kinakailangan para sa isang malinaw na pag-unawa sa mga pangyayari sa buhay na nagaganap sa lahat ng iba pang antas ng organisasyon ng buhay.