Реліктове випромінювання. Відкриття реліктового випромінювання. Теорія гарячого Всесвіту

У 2006 р. Джону Мазеру та Джорджу Смуту було присуджено Нобелівську премію з фізики за відкриття ними чорності спектру та анізотропії космічного мікрохвильового фонового випромінювання. Ці результати були отримані на основі вимірювань, виконаних за допомогою супутника COBE, запущеного NASA у 1988 р. Результати Дж. Мазера та Дж. Смута стали підтвердженням походження Всесвіту в результаті Великого вибуху. Вкрай мала відмінність у температурі космічного фонового випромінювання ΔT/T ~ 10 -4 є свідченням механізму утворення галактик і зірок.

Дж. Мазер (нар. 1946)

Дж. Смут (нар. 1945)

Мал. 52. Чорнотільний спектр реліктового випромінювання.

Реліктове випромінювання (або космічне мікрохвильове фонове випромінювання) було виявлено у 1965 р. А. Пензіасом та Р. Вільсоном. На ранній стадії еволюції Всесвіту речовина була у стані плазми. Таке середовище непрозоре для електромагнітного випромінювання – відбувається інтенсивне розсіювання фотонів електронами та протонами. Коли Всесвіт охолонув до 3000 К електрони та протони об'єдналися в нейтральні атоми водню і середовище стало прозорим для фотонів. У цей час вік Всесвіту становив 300 000 років, тому реліктове випромінювання дає інформацію про стан Всесвіту в цю епоху. У цей час Всесвіт був практично однорідним. Неоднорідності Всесвіту визначаються за температурною неоднорідністю реліктового випромінювання. Ця неоднорідність становить ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Неоднорідності реліктового випромінювання – свідки неоднорідностей Всесвіту: перших зірок, галактик, скупчень галактик. При розширенні Всесвіту довжина хвилі реліктового випромінювання збільшилася Δλ/λ = ΔR/R і в даний час довжина хвилі реліктового випромінювання знаходиться в діапазоні радіохвиль, температура реліктового випромінювання T = 2.7 К.

Мал. 53. Анізотропія реліктового випромінювання. Темнішим кольором показані ділянки спектра реліктового випромінювання, що мають вищу температуру.

Дж. Мазер: «На початку був Великий вибух−так ми тепер говоримо з великою впевненістю. Супутник СОВЕ, запропонований як проект у 1974 р. до Національного агентства з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA) та запущений у 1989 р., надав дуже сильні свідчення на користь цього: космічне мікрохвильове фонове випромінювання (КМФІ, або реліктове) майже ідеального чорного тіла з температурою
2.725 ±0.001 К, і це випромінювання ізотропно (однакове у всіх напрямках) з відносним середньоквадратичним відхиленням не більше 10 на мільйон на кутових масштабах 7° і більше. Це випромінювання інтерпретується як слід надзвичайно гарячої та щільної ранньої стадії еволюції Всесвіту. У такій гарячій і щільній фазі народження та знищення фотонів, а також встановлення рівноваги між ними та з усіма іншими формами матерії та енергії відбувалося б дуже швидко порівняно з характерним масштабом часу розширення Всесвіту. Такий стан негайно справило б чорнильне випромінювання. Всесвіт, що розширюється, повинен зберігати чорнотільний характер цього спектру, тому вимір будь-якого значного відхилення від ідеального спектра випромінювання чорного тіла або зробило б неспроможною всю ідею Великого вибуху, або показало б, що після швидкого встановлення рівноваги до КМФІ була додана якась енергія (наприклад, від розпаду деяких первинних часток). Той факт, що це випромінювання ізотропно такою високою мірою є ключовим свідченням того, що воно походить від Великого вибуху».

Мал. 54. Роберт Вільсон та Арно Пензіас біля антени, на якій було зареєстровано реліктове випромінювання.

Дж. Смут: «Згідно з теорією гарячого Всесвіту, реліктове випромінювання є залишковим випромінюванням, яке сформувалося на ранніх високотемпературних стадіях еволюції Всесвіту в часи близькі до початку розширення сучасного Всесвіту 13,7 млрд. років тому. Саме реліктове випромінювання може бути використане як потужний засіб для вимірювання динаміки та геометрії Всесвіту. Реліктове випромінювання було відкрито Пензіасом та Вілсоном у Лабораторії ім. Белла 1964 р.
Вони виявили постійне ізотропне випромінювання з термодинамічною температурою близько 3,2 К. У цей же час фізики в Прінстоні (Діке, Піблз, Уїлкінсон і Рол) розробляли експеримент із вимірювання реліктового випромінювання, що передбачається теорією гарячого Всесвіту. Випадкове відкриття реліктового випромінювання Пензіасом і Вілсоном відкрило нову еру в космології, започаткувавши її перетворення з міфу та спекуляцій на повноцінний науковий напрямок.
Відкриття анізотропії температури космічного реліктового випромінювання зробило переворот у наших уявленнях про Всесвіт, і його сучасні дослідження продовжують революцію у космології. Побудова кутового спектру потужності флуктуацій температури РІ з плато, акустичними піками та загасаючим високочастотним кінцем призвела до затвердження стандартної космологічної моделі, в якій геометрія простору плоска (відповідає критичній щільності), темна енергія та темна матерія домінують і є лише трохи. Відповідно до цієї успішно підтверджуваної моделі, структура Всесвіту, що спостерігається, сформувалася завдяки гравітаційній нестійкості, яка посилила квантові флуктуації, породжені в дуже ранню інфляційну епоху. Сучасні та майбутні спостереження перевірять цю модель та визначать ключові космологічні параметри з визначною точністю та значимістю».

Реліктове випромінювання

Астрономічні спостереження показують, що крім окремих джерел випромінювання у вигляді зірок і галактик, у Всесвіті є випромінювання, що не поділяється на окремі джерела - фонове випромінювання. Воно спостерігається у всіх діапазонах електромагнітного спектра. В основному фонове випромінювання є сума світіння різних джерел (галактик, квазарів, міжгалактичного газу), настільки далеких, що сучасні засоби астрономічних спостережень поки що не можуть розділити їх сумарне випромінювання на окремі доданки (згадаємо, що і Чумацький Шлях аж до XVII століття вважався суцільною смугою світла, і тільки в 1610 Галілео Галілей, розглянувши його в телескоп, виявив, що він складається з окремих зірок).

У 1965 р. американські радіоінженери А. Пензіас та Р. Вільсон виявили фонове випромінювання в мікрохвильовому діапазоні (довжина хвилі від 300 мкм до 50 см, частота від 6 10 8 Гц до 10 12 Гц). На цих частотах електромагнітних хвиль просто немає джерел, які б дати фонове випромінювання такої яскравості. Це випромінювання дуже однорідне: з точністю до тисячних часток відсотка його інтенсивність стала по всьому небу. Зауважимо, що кілька відсотків того "снігу", який виникає на екрані телевізора на неналаштованому каналі, обумовлені мікрохвильовим фоновим випромінюванням.

Головною властивістю мікрохвильового фонового випромінювання є його спектр (тобто розподіл інтенсивності залежно від частоти чи довжини хвилі), показаний на рис. 5.1.2. Спектр цього випромінювання точно лягає на теоретичну криву, добре відому фізиці - криву Планка. Спектр такого типу зветься спектром випромінювання абсолютно чорного тіла. Такий спектр характерний для непрозорої повністю нагрітої речовини. Температура мікрохвильового випромінювання становить близько 3 К (точніше, 2728 К). Додаванням випромінювань будь-яких джерел неможливо домогтися того, щоб вийшов планківський спектр. Найбільш надійне підтвердження планківського характеру спектру реліктового випромінювання було отримано за допомогою американського супутника COBE (Cosmic Background Explorer, дослідник космічного тла) у 1992 році.

Рівняння планківської кривої має вигляд

.

(5.1)

Тут ρ - спектральна щільність випромінювання (енергія випромінювання, що припадає на одиничний об'єм і на одиничний інтервал частот), - частота, h - постійна Планка, c - швидкість світла, k - постійна Больцмана, T - температура випромінювання.

Мікрохвильове випромінювання Всесвіту інакше називається реліктовим. Така назва пов'язана з тим, що вона несе в собі інформацію про фізичні умови, що панували у Всесвіті тоді, коли ще не встигли утворитися зірки та галактики. Сам факт існування цього випромінювання свідчить, що у минулому властивості Всесвіту були значно іншими, ніж у час. Для обґрунтування цього висновку наведемо наступний логічний ланцюжок.

1. Оскільки спектр реліктового випромінювання є абсолютно абсолютно чорного тіла, це випромінювання формується повністю непрозорим нагрітим тілом.
2. Оскільки це випромінювання поступово приходить до нас з усіх боків, ми з усіх боків оточені якимось непрозорим тілом.
3. Однак Всесвіт - у сучасному її вигляді - майже повністю прозорий для радіохвиль у мікрохвильовому (міліметровому та сантиметровому) діапазоні. Отже, речовина, що випромінює це випромінювання, відстоїть від нас набагато далі, ніж будь-які об'єкти, що спостерігаються - галактики, квазари і т.д. Згадуючи принцип "що далі у просторі - тим глибше в часі", ми приходимо до висновку, що Всесвіт був повністю непрозорим у давнину, коли ще не утворилися зірки та галактики; а якщо непрозорою, значить, дуже щільною. Мікрохвильове фонове випромінювання є реліктом, що залишився від тієї далекої доби.

Відмітимо, що майже ідеальна однорідність цього випромінювання - найкращий аргумент на користь космологічного принципу, на користь однорідності Всесвіту на великих масштабах.

Наведемо деякі кількісні дані про реліктове випромінювання. За законом Вина, температура чорнотільного випромінювання з довжиною хвилі, на яку припадає максимум інтенсивності max , обчислюється за формулою

Для реліктового випромінювання max =0.1 см. Середня енергія кванта цього випромінювання приблизно 1.05·10 -22 Дж. В даний час у кожному кубічному метрі знаходиться приблизно 4·10 8 реліктових фотонів. Це приблизно в мільярд разів більше, ніж частинок звичайної речовини (точніше протонів; мається на увазі, звичайно, середня щільність).

Зміна температури реліктового випромінювання з часом

Для обґрунтування припущення Гамова про гарячий стан Всесвіту ми залучимо дані про реліктове випромінювання. Спробуємо зрозуміти, якою була його температура у минулому. Іншими словами, з'ясуємо, яку температуру реліктового випромінювання зафіксував би спостерігач у галактиці з червоним усуненням z. Для цього використовуємо формулу (2.1) λ=λ 0 (1+z), що показує залежність довжини хвилі будь-якого (у тому числі реліктового) випромінювання, що подорожує в міжгалактичному просторі, від червоного зміщення z, та закон Вина (5.2) T·λ max =0.29 K · див. Комбінуючи ці формули, ми бачимо, що з червоному зміщенні z температура реліктового випромінювання T була

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

(5.3)

Де T 0 =2.728 K - температура нині (тобто при z=0). З цієї формули випливає, що раніше температура реліктового випромінювання була вищою, ніж зараз.

Існують і прямі експериментальні докази цієї закономірності. Група американських учених використовувала найбільший у світі телескоп Кек (на Гавайських островах) із дзеркалом діаметром 10 метрів для отримання спектрів двох квазарів з червоними зсувами z=1.776 та z=1.973. Як з'ясували ці вчені, спектральні лінії цих об'єктів показують, що вони опромінюються тепловим випромінюванням з температурою 7.4±0.8 До і 7.9±1.1 До відповідно, що знаходиться у чудовій згоді з температурою реліктового випромінювання, що очікується з формули (5.3): T(1.776) =7.58 До і T(1.973)=8.11 До. Одночасно, до речі, ці факти дають додатковий аргумент на користь те, що мікрохвильове фонове випромінювання приходить до нас із глибин Всесвіту.

. Георгій Антонович Гамов (1904–1968).

Чим ближче до Великого Вибуху, тим гарячіше реліктове випромінювання. При z~1000 (таке червоне зміщення відповідає епосі, що віддалялася на 300 тис. років від Великого Вибуху), його температура була T~3000 K, причому в кожному кубічному метрі знаходилося близько 4·10 17 реліктових фотонів. Таке потужне випромінювання мало іонізувати весь існуючий тоді газ. Отже, у далекому минулому Всесвіті не могло існувати зірок, і вся речовина являла собою щільну гарячу непрозору плазму.

Саме це твердження складає суть теорії гарячого Всесвіту, основи якої заклав видатний фізик Георгій Антонович Гамов, який народився і здобув освіту в нашій країні, тут же став відомим як фізик, але був змушений емігрувати до США в роки сталінських репресій. Ця теорія коротко розглянута у цьому параграфі.

Мікрохвильове фонове випромінювання (реліктове випромінювання)

- Косміч. випромінювання, що має спектр, характерний для при темп-ре бл. ЗК; визначає інтенсивність фонового випромінювання Всесвіту в короткохвильовому радіодіапазоні (на сантиметрових, міліметрових та субміліметрових хвилях). Характеризується високим ступенем ізотропії (інтенсивність майже однакова в усіх напрямках). Відкриття М. ф. в. (А. Пензіас, Р. Вільсон, 1965 р., США) підтвердило т.зв. , Дало найважливіше експериментальне свідчення на користь уявлень про ізотропію розширення Всесвіту та її однорідності у великих масштабах (див. ).

Відповідно до моделі гарячого Всесвіту, речовина Всесвіту, що розширюється, мала в минулому набагато вищу щільність, ніж зараз, і надзвичайно високу темп-ру. При Т> 10 8 До первинна , що складалася з протонів, іонів гелію та електронів, безперервно випромінюючих, розсіювальних і поглинаючих фотони, перебувала у повному випромінюванні. У ході подальшого розширення Всесвіту темп-ра плазми та випромінювання падала. Взаємодія частинок з фотонами вже не встигала за характерний час розширення помітно впливати на спектр випромінювання. Однак навіть при повній відсутності взаємодії випромінювання з речовиною в ході розширення Всесвіту чорнотільний спектр випромінювання залишається чорнотільним, зменшується лише температура випромінювання. Поки темп-ра перевищувала 4000 К, первинна речовина була повністю іонізована, пробіг фотонів від одного акта розсіювання до ін. був набагато менше. При 4000 К сталася протонів і електронів, плазма перетворилася на суміш нейтральних атомів водню та гелію, Всесвіт став повністю прозорим для випромінювання. У її подальшого розширення темп-ра випромінювання продовжувала падати, але чорнотільний характер випромінювання зберігся як релікт, як " пам'ять " ранній період еволюції світу. Це випромінювання виявили спочатку на хвилі 7,35 см, а потім і на ін хвилях (від 0,6 мм до 50 см).

Темп-ра М. ф. в. з точністю до 10% дорівнювала 2,7 К. Порівн. енергія фотонів цього випромінювання вкрай мала - в 3000 разів менше енергії фотонів видимого світла, але число фотонів М. ф. в. дуже велике. На кожен атом у Всесвіті припадає ~ 109 фотонів М. ф. в. (У середньому 400-500 фотонів 1 см 3).

Поруч із прямим методом визначення темп-ри М. ф. в. - за кривою розподілу енергії в спектрі випромінювання (див. ), Існує також непрямий метод - по населеності нижніх рівнів енергії молекул у міжзоряному середовищі. При поглинанні фотона М. ф. в. молекула переходить із осн. стану у збуджений. Чим вище темп-ра випромінювання, тим вище щільність фотонів з енергією, достатньої для збудження молекул, і тим більша їхня частка знаходиться на збудженому рівні. За кількістю збуджених молекул (населеності рівнів) можна будувати висновки про темп-ре збудливого випромінювання. Так, спостереження оптич. ліній поглинання міжзоряного ціана (CN) показують, що його нижні рівні енергії населені так, начебто молекули CN знаходяться в полі триградусного чорнильного випромінювання. Цей факт було встановлено (але не зрозумілий повною мірою) ще 1941 р., задовго до виявлення М. ф. в. прямими спостереженнями.

Ні зірки та радіогалактики, ні гарячий міжгалактич. газ, ні перевипромінювання видимого світла міжзоряним пилом що неспроможні дати випромінювання, наближається по св-вам до М. ф. І.: сумарна енергія цього випромінювання занадто велика, і спектр його не схожий ні на спектр зірок, ні на спектр радіоджерел (рис. 1). Цим, а також практично повною відсутністю флуктуації інтенсивності по небесній сфері (дрібномасштабних кутових флуктуації) доводиться космологічний, реліктове походження М. ф. в.

Флуктуації М. ф. в.
Виявлення невеликих відмінностей в інтенсивності М. ф. і., прийнятого від різних ділянок небесної сфери, дозволило б зробити ряд висновків про характер первинних збурень у речовині, що призвели надалі до утворення галактик та скупчень галактик. Сучасні галактики та їх скупчення утворилися внаслідок зростання незначних по амплітуді неоднорідностей щільності речовини, що існували до рекомбінації водню у Всесвіті. Для будь-якої космологічної. моделі можна знайти закон зростання амплітуди неоднорідностей під час розширення Всесвіту. Якщо знати, якими були амплітуди неоднорідності речовини в момент рекомбінації, можна встановити, за який час вони могли зрости і стати порядком одиниці. Після цього області з щільністю, що значно перевищує середню, повинні були виділитися із загального фону, що розширюється, і дати початок галактикам і їх скупченням. "Розповісти" про амплітуду початкових неоднорідностей щільності в момент рекомбінації може лише реліктове випромінювання. Оскільки до рекомбінації випромінювання було жорстко пов'язане з речовиною (електрони розсіювали фотони), то неоднорідності в просторовому розподілі речовини призводили до неоднорідностей щільності енергії випромінювання, тобто до відмінності температури випромінювання в різних за щільністю областях Всесвіту. Коли після рекомбінації речовина перестала взаємодіяти з випромінюванням і стала для неї прозорою, М. ф. в. мало зберегти всю інформацію про неоднорідності щільності у Всесвіті в період рекомбінації. Якщо неоднорідності існували, то темп-ра М. ф. в. має флуктуювати, залежати від напрямку спостереження. Проте експерименти з виявлення очікуваних флуктуації поки що не мають досить високої точності. Вони дають лише верхні межі значень флуктуації. У малих кутових масштабах (від однієї кутової хвилини до шести градусів дуги) флуктуації вбираються у 10 -4 К. Пошуки флуктуації М. ф. в. ускладнюються також тим, що внесок у флуктуацію фону дають дискретні космичі. радіоджерела, що флуктує випромінювання атмосфери Землі і т. д. Експерименти у великих кутових масштабах також показали, що темп-ра М. ф. в. практично не залежить від напрямку спостереження: відхилення не перевищують К. Отримані дані дозволили знизити оцінку ступеня анізотропії розширення Всесвіту в 100 разів у порівнянні з оцінкою за даними прямих спостережень галактик, що "розбігаються".

М. ф. в. як "новий ефір".
М. ф. в. ізотропно лише в системі координат, пов'язаної з галактиками, що "розбігаються", в т.зв. супутньої системі відліку (ця система розширюється разом із Всесвітом). У будь-якій ін. системі координат інтенсивність випромінювання залежить від напрямку. Цей факт відкриває можливість виміру швидкості руху Сонця щодо системи координат, пов'язаної з М. ф. в. Дійсно, в силу Доплера, ефекту фотони, що поширюються назустріч спостерігачеві, що рухається, мають вищу енергію, ніж наздоганяють його, незважаючи на те, що в системі, пов'язаної з М. ф. і., їхня енергія дорівнює. Тому і темп-ра випромінювання для такого спостерігача виявляється залежною від напрямку: , де T 0 - пор. по небу темп-ра випромінювання, v- швидкість спостерігача, - кут між вектором швидкості та напрямом спостереження.

Дипольна анізотропія реліктового випромінювання, пов'язана з рухом Сонячної системи щодо поля цього випромінювання, до теперішнього часу твердо встановлена ​​(рис. 2): у напрямку сузір'я Льва темп-ра М. ф. в. на 3,5 мК перевищує середню, а в протилежному напрямку (сузір'я Водолія) на стільки ж нижче за середню. Отже, Сонце (разом із Землею) рухається щодо М. ф. в. зі швидкістю прибл. 400 км/с у напрямку сузір'я Лева. Точність спостережень така висока, що експериментатори фіксують швидкість руху Землі навколо Сонця, що становить 30 км/с. Врахування швидкості руху Сонця навколо центру Галактики дозволяє визначити швидкість руху Галактики щодо М. ф. в. Вона складає 600 км/с. У принципі, існує метод, що дозволяє визначити швидкості багатих скупчень галактик щодо реліктового випромінювання (див. ).

Спектр М. ф. в.
На рис. 1 наведено існуючі експериментальні дані про М. ф. в. і планківська крива розподілу енергії у спектрі рівноважного випромінювання абсолютно чорного тіла, що має темп-ру 2,7 К. Положення експериментальних точок добре узгоджуються з теоретич. кривою. Це є вагомим підтвердженням моделі гарячого Всесвіту.

Зазначимо, що в діапазоні сантиметрових і дециметрових хвиль вимірювання температури М. ф. в. можливі з Землі з допомогою радіотелескопів. У міліметровому і особливо субміліметровому діапазонах випромінювання атмосфери перешкоджає спостереженням М. ф. і., тому вимірювання проводяться широкосмуговими , встановленими на повітряних кулях (балонах) та ракетах. Цінні дані про спектр М. ф. в. у міліметровій області отримані зі спостережень ліній поглинання молекул міжзоряного середовища у спектрах гарячих зірок. З'ясувалося, що осн. внесок у густину енергії М. ф. в. дає випромінювання з від 6 до 0,6 мм, температура якого близька до 3 К. У цьому діапазоні довжин хвиль щільність енергії М. ф. в. =0,25 эВ/см 3 .

Багато хто з космологічних. теорій і теорій утворення галактик, які розглядають процеси речовини і антиречовини, диссипацію розвиненої, великомасштабних потенційних рухів, випаровування первинних малої маси, розпад нестабільних, пророкують значить. енерговиділення на ранніх стадіях розширення Всесвіту У той же час будь-яке виділення енергії на етапі, коли темп-ра М. ф. в. змінювалася від до 3 К, мало помітно спотворити його чорнотільний спектр. Т.ч., спектр М. ф. в. несе інформацію про теплову історію Всесвіту. Більше того, ця інформація виявляється диференційованою: виділення енергії на кожному з трьох етапів розширення (K; 3Т 4000 К). Таких енергійних фотонів вкрай мало (~10 -9 від загальної кількості). Тому рекомбінаційне випромінювання, що виникає при утворенні нейтральних атомів, мало сильно спотворити спектр М. ф. в. на хвилях 250 мкм.

Ще один нагрівання речовина могла випробувати під час утворення галактик. Спектр М. ф. в. при цьому також міг змінитись, оскільки розсіювання реліктових фотонів на гарячих електронах збільшує енергію фотонів (див. ). Особливо сильні зміни відбуваються у разі у короткохвильовій області спектра. Одна з кривих, яка демонструє можливе спотворення спектра М. ф. і., наведено на рис. 1 (штрихова крива). Наявні зміни у спектрі М. ф. в. показали, що вторинний розігрів речовини у Всесвіті стався набагато пізніше рекомбінації.

М. ф. в. та космічні промені.

Косміч. промені (протони і ядра високих енергій; ультрарелятивні електрони, що визначають радіовипромінювання нашої та ін галактик в метровому діапазоні) несуть інформацію про гігантські вибухові процеси в зірках і ядрах галактик, при яких вони народжуються. Як виявилося, час життя частинок високих енергій у Всесвіті багато в чому залежить від фотонів М. ф. і., що мають малу енергію, але надзвичайно численні - їх у мільярд разів більше, ніж атомів у Всесвіті (це співвідношення зберігається в процесі розширення Всесвіту). При зіткненні ультрарелятивістських електронів косміч. променів із фотонами М. ф. в. відбувається перерозподіл енергії та імпульсу. Енергія фотона зростає у багато разів, і радіофотон перетворюється на фотон рентг. випромінювання, енергія електрона змінюється незначно. Оскільки цей процес повторюється багаторазово, електрон поступово втрачає всю енергію. Спостерігається з супутників та ракет рентг. фонове випромінювання, очевидно, частково має своє походження цього процесу.

Протони і ядра надвисоких енергій також схильні до впливу фотонів М. ф. і.: при зіткненнях з ними ядра розщеплюються, а зіткнення з протонами призводять до народження нових частинок (електрон-позитронних пар, мезонів і т.д.). У результаті енергія протонів швидко зменшується до порогової, нижчою народження частинок стає неможливим за законами збереження енергії та імпульсу. Саме з цими процесами пов'язують практично. відсутність у косміч. променях частинок з енергією 1020 еВ, а також мала кількість важких ядер.

Літ.:
Зельдович Я.Б., "Гаряча" модель Всесвіту, УФН, 1966, т. 89, ст. 4, с. 647; Вайнберг С., Перші три хвилини, пров. з англ., М., 1981.

Реліктове випромінювання-космічне електромагнітне випромінювання з високим ступенем ізотропності та зі спектром, характерним для абсолютно чорного тіла з температурою? 2,725 K. Реліктове випромінювання було передбачено Р. Гамовим, Р. Альфером і Р. Германом 1948 року з урахуванням створеної ними першої теорії Великого вибуху. Альфер та Герман змогли встановити, що температура реліктового випромінювання має становити 5 K, а Гамов дав прогноз у 3 K. Хоча деякі оцінки температури простору існували і до цього, вони мали кілька недоліків. По-перше, це були вимірювання лише ефективної температури простору, не передбачалося, що спектр випромінювання підпорядковується закону Планка. По-друге, вони були залежними від нашого особливого розташування на краю Галактики і не припускали, що випромінювання ізотропне. Більше того, вони дали б зовсім інші результати, якби Земля знаходилася десь в іншому місці Всесвіту. Ні сам Г. Гамов, ні багато його послідовників не ставили питання про експериментальне виявлення реліктового випромінювання. Очевидно, вони вважали, що це випромінювання може бути виявлено, оскільки воно «тоне» в потоках енергії, які приносять землі випромінюванням зірок і космічних променів.

Можливість виявлення реліктового випромінювання і натомість випромінювання галактик і зірок у сфері сантиметрових радіохвиль було обгрунтовано розрахунками А.Г. Дорошкевича та І.Д. Новікова, виконаними на пропозицію Я.Б. Зельдовича 1964 р., тобто. за рік до відкриття А. Пепзіаса та Р. Вілсона.

У 1965 році Арно Пензіас і Роберт Вудроу Вільсон побудували радіометр Дікке, який вони мали намір використовувати не для пошуку реліктового випромінювання, а для експериментів у галузі радіоастрономії та супутникових комунікацій. При калібруванні приладу з'ясувалося, що антена має надмірну температуру 3,5 K вони не могли пояснити. Невеликий шумовий фон не змінювався ні від напрямку, ні від часу роботи. Спочатку вирішили, що це шум, властивий апаратурі. Радіотелескоп демонтували, ще й ще раз випробували його начинку. Самолюбство інженерів було зачеплене, і тому перевірка йшла до останньої деталі, до останньої пайки. Усунули все. Зібрали знову – шум відновився. Після довгих роздумів теоретики дійшли висновку, що це випромінювання могло бути нічим іншим, як постійним тлом космічного радіовипромінювання, що заповнює Всесвіт рівним потоком. Отримавши дзвінок із Холдмдейла, Дікке дотепно зауважив: «Ми зірвали куш, хлопці». Зустріч між групами з Прінстона та Холмдейла визначила, що така температура антени була викликана реліктовим випромінюванням. Астрофізики розрахували, що шум відповідає температурі, яка дорівнює приблизно 3 градусам Кельвіна, і «прослуховується на різних частотах. У 1978 році Пензіас та Вілсон отримали Нобелівську премію за їх відкриття. Можна уявити, як зраділи прихильники «гарячої» моделі, коли надійшло це повідомлення. Це відкриття не тільки зміцнило позиції гарячої моделі. Реліктове випромінювання дозволило зі сходинки часу квазарів (8-10 мільярдів років) опуститися на сходинку, що відповідає 300 тисячам років від самого початку. Одночасно підтверджувалася думка, що колись Всесвіт мав щільність у мільярд разів вищу, ніж зараз. Відомо, що нагріта речовина завжди випромінює фотони. Відповідно до загальних законів термодинаміки, у цьому проявляється прагнення рівноважного стану, у якому досягається насичення: народження нових фотонів компенсується зворотним процесом, поглинанням фотонів речовиною, отже повне число фотонів середовищі не змінюється. Цей «фотонний газ» поступово заповнює весь Всесвіт. Температура газу фотонів близька до абсолютного нуля - близько 3 кельвінів, але енергія, що міститься в ньому, більша за світлову енергію, випущену всіма зірками за час їхнього життя. На кожен кубічний сантиметр простору Всесвіту припадає приблизно п'ятсот квантів випромінювання, а повна кількість фотонів у межах видимого Всесвіту в кілька мільярдів разів більша за повну кількість частинок речовини, тобто. атомів, ядер, електронів, з яких складаються планети, зірки та галактики. Це загальне фонове випромінювання Всесвіту називають легкої руки І.С. Шкловського, реліктовим, тобто. залишковим, що є залишок, релікт щільного і гарячого початкового стану Всесвіту. Припустивши, що речовина раннього Всесвіту була гарячою, Г.М. Гамов передбачив, що фотони, які тоді перебували в термодинамічній рівновазі з речовиною, повинні зберегтися в сучасну епоху. Ці фотони і вдалося безпосередньо виявити в 1965 р. Випробувавши загальне розширення і пов'язане з ним охолодження, газ фотонів утворює зараз фонове випромінювання Всесвіту, що приходить до нас поступово з усіх боків. Квант реліктового випромінювання не має маси спокою, як всякий квант електромагнітного випромінювання, але має енергію, а отже, за знаменитою формулою Ейнштейна Е = Мс?, та масою, що відповідає цій енергії. Більшість реліктових квантів ця маса дуже мала: набагато менше маси атома водню - найпоширенішого елемента зірок і галактик. Тому, незважаючи на значну перевагу за кількістю частинок, реліктове випромінювання поступається зіркам і галактикам за вкладом у загальну масу Всесвіту. У сучасну епоху щільність випромінювання становить 3*10 -34 г/см 3 , що приблизно тисячу разів менше усередненої щільності речовини галактик. Але так було не завжди - у далекому минулому Всесвіті фотони давали головний внесок у його щільність. Справа в тому, що в ході космологічного розширення щільність випромінювання падає швидше за щільність речовини. У цьому процесі зменшується не тільки концентрація фотонів (у тому ж темпі, що і концентрація частинок), але зменшується і середня енергія одного фотона, оскільки при розширенні падає температура газу фотонів. У ході подальшого розширення Всесвіту температура плазми та випромінювання падала. Взаємодія частинок з фотонами вже не встигала за характерний час розширення помітно впливати на спектр випромінювання. Однак навіть при повній відсутності взаємодії випромінювання з речовиною в ході розширення Всесвіту чорнотільний спектр випромінювання залишається чорнотільним, зменшується лише температура випромінювання. Поки що температура перевищувала 4000 K, первинна речовина була повністю іонізована, пробіг фотонів від одного акту розсіювання до ін. був набагато менший за горизонт Всесвіту. При T ? 4000Kвідбулася рекомбінація протонів і електронів, плазма перетворилася на суміш нейтральних атомів водню та гелію, Всесвіт став повністю прозорим для випромінювання. У її подальшого розширення температура випромінювання продовжувала падати, але чорнотільний характер випромінювання зберігся як релікт, як «пам'ять» про ранній період еволюції світу. Це випромінювання виявили спочатку на хвилі 7,35 см, а потім і на ін хвилях (від 0,6 мм до 50 см).

Ні зірки і радіогалактики, ні гарячий міжгалактичний газ, ні перевипромінювання видимого світла міжзоряним пилом не можуть дати випромінювання, що наближається за властивостями до мікрохвильового фонового випромінювання: сумарна енергія цього випромінювання занадто велика, і спектр його не схожий ні на спектр зірок, ні на спектр радіоочі . Цим, а також майже повною відсутністю флуктуації інтенсивності по небесній сфері (дрібномасштабних кутових флуктуацій) доводиться космологічне, реліктове походження мікрохвильового фонового випромінювання.

Фонове випромінювання ізотропно лише в системі координат, пов'язаної з галактиками, що «розбігаються», в т.з. супутньої системі відліку (ця система розширюється разом із Всесвітом). У будь-якій іншій системі координат інтенсивність випромінювання залежить від напрямку. Цей факт відкриває можливість вимірювання швидкості руху Сонця щодо системи координат, пов'язаної з мікрохвильовим фоновим випромінюванням. Дійсно, в силу Доплера, ефекти фотони, що поширюються назустріч спостерігачеві, що рухається, мають вищу енергію, ніж наздоганяють його, незважаючи на те, що в системі, пов'язаної з м. ф. і., їхня енергія дорівнює. Тому і температура випромінювання для такого спостерігача виявляється залежною від напрямку. Дипольна анізотропія реліктового випромінювання, пов'язана з рухом Сонячної системи щодо поля цього випромінювання, до теперішнього часу твердо встановлена: у напрямку на сузір'я Лева температура реліктового випромінювання на 3,5 мК перевищує середню, а в протилежному напрямку (сузір'я Водолія) на стільки . Отже, Сонце (разом із Землею) рухається щодо м. ф. в. зі швидкістю близько 400 км/с у напрямку сузір'я Лева. Точність спостережень така висока, що експериментатори фіксують швидкість руху Землі навколо Сонця, що становить 30 км/с. Облік швидкості руху Сонця навколо центру Галактики дозволяє визначити швидкість руху Галактики щодо фонового випромінювання. Вона становить 600 км/с. Спектрофотометр далекого інфрачервоного випромінювання (FIRAS), встановлений на супутнику NASA Cosmic Background Explorer (COBE), виконав точні вимірювання спектру реліктового випромінювання. Ці виміри стали найбільш точними на сьогодні вимірами спектра абсолютно чорного тіла. Найбільш детальну карту реліктового випромінювання вдалося збудувати в результаті роботи американського космічного апарату WMAP.

Спектр реліктового випромінювання, що наповнює Всесвіт, відповідає спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 2,725. K. Його максимум посідає частоту 160,4 ГГц, що відповідає довжині хвилі 1,9 мм. Воно ізотропне з точністю до 0,001% - середньоквадратичне відхилення температури становить приблизно 18 мкК. Це значення не враховує дипольну анізотропію (різниця між найбільш холодною і гарячою областю становить 6706 мК), викликану доплерівським зміщенням частоти випромінювання через нашу власну швидкість щодо системи координат, пов'язаної з реліктовим випромінюванням. Дипольна анізотропія відповідає руху Сонячної системи у напрямку сузір'я Діви зі швидкістю? 370 км/с.

Реліктове випромінювання

Позагалактичне мікрохвильове фонове випромінювання посідає діапазон частот від 500 МГц до 500 ГГц, що відповідає довжинам хвиль від 60 см до 0,6 мм. Це фонове випромінювання несе інформацію про процеси, що відбувалися у Всесвіті до утворення галактик, квазарів та інших об'єктів. Це випромінювання, назване реліктовим, було виявлено у 1965 році, хоча воно було передбачено ще у 40-х роках Георгієм Гамовим та досліджувалося астрономами протягом десятиліть.

У Всесвіті, що розширюється, середня щільність речовини залежить від часу - в минулому вона була більшою. Однак при розширенні змінюється не тільки щільність, а й теплова енергія речовини, значить на ранній стадії розширення Всесвіт був не тільки щільним, а й гарячим. Як наслідок, у наш час має спостерігатися залишкове випромінювання, спектр якого такий самий, як спектр абсолютно твердого тіла, і це випромінювання має бути найвищою мірою ізотропним. У 1964 році А.А.Пензіас і Р.Вілсон, відчуваючи чутливу радіоантену, виявили дуже слабке фонове мікрохвильове випромінювання, якого ніяким чином не могли позбутися. Його температура дорівнювала 2,73 К, що близько до передбаченої величини. З експериментів з дослідження ізотропії було показано, що джерело мікрохвильового фонового випромінювання не може перебувати всередині Галактики, тому що тоді мала б спостерігатися концентрація випромінювання до центру Галактики. Джерело випромінювання було перебувати і всередині Сонячної системи, т.к. спостерігалася добова варіація інтенсивності випромінювання. В силу цього було зроблено висновок про позагалактичну природу цього фонового випромінювання. Тим самим гіпотеза гарячого Всесвіту отримала спостережну основу.

Для розуміння природи реліктового випромінювання необхідно звернутися до процесів, що мали місце на ранніх стадіях розширення Всесвіту. Розглянемо, як змінювалися фізичні умови у Всесвіті у процесі розширення.

Наразі кожен кубічний сантиметр простору містить близько 500 реліктових фотонів, а речовини на цей обсяг припадає значно менше. Оскільки відношення числа фотонів до баріонів у процесі розширення зберігається, але енергія фотонів у ході розширення Всесвіту з часом зменшується через червоне зміщення, можна зробити висновок, що колись у минулому щільність енергії випромінювання була більшою за щільність енергії частинок речовини. Цей час називається радіаційною стадією в еволюції Всесвіту. Радіаційна стадія характеризувалася рівністю температури речовини та випромінювання. На той час випромінювання повністю визначало характер розширення Всесвіту. Приблизно через мільйон років від початку розширення Всесвіту температура знизилася до кількох тисяч градусів і відбулася рекомбінація електронів, що були раніше вільними частинками, з протонами і ядрами гелію, тобто. утворення атомів. Всесвіт став прозорим для випромінювання, і саме це випромінювання ми зараз уловлюємо і називаємо реліктовим. Щоправда, з того часу через розширення Всесвіту фотони зменшили свою енергію приблизно у 100 разів. Образно кажучи, кванти реліктового випромінювання «зняли» епоху рекомбінації та несуть пряму інформацію про давнє минуле.

Після рекомбінації речовина вперше почала еволюціонувати самостійно, незалежно від випромінювання, і в ній почали з'являтися ущільнення – зародки майбутніх галактик та їх скупчень. Ось чому такі важливі для вчених експерименти з вивчення властивостей реліктового випромінювання – його спектра та просторових флуктуацій. Їхні зусилля не зникли даремно: на початку 90-х рр. ХХ ст. Російський космічний експеримент «Релікт-2» та американський «Кобе» виявили відмінності температури реліктового випромінювання сусідніх ділянок піднебіння, причому величина відхилення від середньої температури становить лише близько тисячної частки відсотка. Ці варіації температури несуть інформацію про відхилення густини речовини від середнього значення в епоху рекомбінації. Після рекомбінації речовина у Всесвіті була розподілена майже рівномірно, а там, де щільність була хоч трохи вищою за середню, сильнішим було тяжіння. Саме варіації щільності згодом призвели до утворення спостережуваних у Всесвіті великомасштабних структур, скупчень галактик та окремих галактик. За сучасними уявленнями, перші галактики мали утворитися в епоху, яка відповідає червоним зміщенням від 4 до 8.

А чи є шанс заглянути ще далі в епоху рекомбінації? До моменту рекомбінації саме тиск електромагнітного випромінювання в основному створювало гравітаційне поле, що гальмувало розширення Всесвіту. На цій стадії температура змінювалася обернено пропорційно квадратному кореню з часу, що минув від початку розширення. Розглянемо послідовно різні стадії розширення раннього Всесвіту.

При температурі приблизно 1013 Кельвінів у Всесвіті народжувалися і анігілювали пари різних частинок і античастинок: протони, нейтрони, мезони, електрони, нейтрино та ін. залишилися лише ті, для яких «забракло» античастинок. Саме з цих «надлишкових» протонів і нейтронів в основному складається речовина сучасного Всесвіту, що спостерігається.

При Т = 2 * 1010 К з речовиною перестали взаємодіяти всепроникні нейтрино - від того моменту повинен був залишитися "реліктове тло нейтрино", виявити який, можливо, вдасться в ході майбутніх нейтринних експериментів.

Все, про що зараз говорилося, відбувалося за надвисоких температур у першу секунду після початку розширення Всесвіту. Через кілька секунд після моменту «народження» Всесвіту почалася епоха первинного нуклеосинтезу, коли утворювалися ядра дейтерію, гелію, літію та берилію. Вона тривала приблизно три хвилини, а її основним результатом стало утворення ядер гелію (25% від маси всієї речовини Всесвіту). Інші елементи, важчі, ніж гелій, склали мізерно малу частину речовини – близько 0,01%.

Після епохи нуклеосинтезу і до епохи рекомбінації (приблизно 106 років) відбувалося спокійне розширення та охолодження Всесвіту, а потім – через сотні мільйонів років після початку – з'явилися перші галактики та зірки.

В останні десятиліття розвиток космології та фізики елементарних частинок дозволило теоретично розглянути і початковий, «надщільний» період розширення Всесвіту. Виявляється, на самому початку розширення, коли температура була неймовірно висока (більше 1028 К), Всесвіт міг перебувати в особливому стані, при якому він розширювався з прискоренням, а енергія в одиниці обсягу залишалася постійною. Таку стадію розширення назвали інфляційною. Подібний стан матерії можливий за однієї умови – негативного тиску. Стадія надшвидкого інфляційного розширення охоплювала крихітний проміжок часу: вона завершилася на момент приблизно 10-36 с. Вважається, що справжнє «народження» елементарних частинок матерії у вигляді, як ми їх знаємо зараз, відбулося саме після закінчення інфляційної стадії і було викликано розпадом гіпотетичного поля. Після цього розширення Всесвіту тривало вже за інерцією.

Гіпотеза інфляційного Всесвіту відповідає на цілу низку важливих питань космології, які донедавна вважалися незрозумілими парадоксами, зокрема на питання про причину розширення Всесвіту. Якщо у своїй історії Всесвіт справді пройшов через епоху, коли існував великий негативний тиск, то гравітація неминуче мала викликати не тяжіння, а взаємне відштовхування матеріальних частинок. І значить, Всесвіт почав швидко, вибухоподібно розширюватися. Звичайно, модель інфляційного Всесвіту лише гіпотеза: навіть непряма перевірка її положень потребує таких приладів, які зараз просто ще не створені. Однак ідея прискореного розширення Всесвіту на ранній стадії її еволюції міцно увійшла в сучасну космологію.

Говорячи про ранній Всесвіт, ми від найбільших космічних масштабів раптом переносимо в область мікросвіту, яка описується законами квантової механіки. Фізика елементарних частинок та надвисоких енергій тісно переплітається у космології з фізикою гігантських астрономічних систем. Найбільше і найменше стуляються тут один з одним. У цьому полягає дивовижна краса нашого світу, повного несподіваних взаємозв'язків і глибокої єдності.

Прояви життя Землі надзвичайно різноманітні. Життя Землі представлена ​​ядерними і доядерними, одно- і багатоклітинними істотами; багатоклітинні, у свою чергу, представлені грибами, рослинами та тваринами. Будь-яке з цих царств поєднує різноманітні типи, класи, загони, сімейства, пологи, види, популяції та індивідууми.

У всьому, начебто, нескінченному різноманітті живого можна назвати кілька різних рівнів організації живого: молекулярний, клітинний, тканинний, органний, онтогенетичний, популяційний, видовий, біогеоценотичний, біосферний. Перелічені рівні виділено за зручністю вивчення. Якщо ж спробувати виділити основні рівні, що відображають не стільки рівні вивчення, скільки рівні організації життя на Землі, то основними критеріями такого виділення мають бути визнані наявність специфічних елементарних, дискретних структур та елементарних явищ. При цьому підході виявляється необхідним та достатнім виділяти молекулярно-генетичний, онтогенетичний, популяційно-видовий та біогеоценотичний рівні (Н.В. Тимофєєв-Ресовський та ін.).

Молекулярно-генетичний рівень. При вивченні цього рівня досягнуто, мабуть, найбільшої ясності у визначенні основних понять, а також у виявленні елементарних структур та явищ. Розвиток хромосомної теорії спадковості, аналіз мутаційного процесу, вивчення будови хромосом, фагів та вірусів розкрили основні риси організації елементарних генетичних структур та пов'язаних з ними явищ. Відомо, що основні структури на цьому рівні (коди спадкової інформації, що передається від покоління до покоління) є ДНК, диференційована по довжині на елементи коду - триплети азотистих основ, що утворюють гени.

Гени цьому рівні організації життя представляють елементарні одиниці. Основними елементарними явищами, пов'язаними з генами, можна вважати їх локальні структурні зміни (мутації) і передачу інформації, що зберігається в них, внутрішньоклітинним керуючим системам.

Конваріантна редуплікація відбувається за матричним принципом шляхом розриву водневих зв'язків подвійної спіралі ДНК за участю ферменту ДНК-полімерази. Потім кожна з ниток будує собі відповідну нитку, після чого нові нитки комплементарно з'єднуються між собою. Цей процес здійснюється дуже швидко. Так, на самоскладання ДНК кишкової палички (Escherichia coli), що складається приблизно з 40 тис. пар нуклеотидів, потрібно лише 100 с. Генетична інформація переноситься з ядра молекулами іРНК у цитоплазму до рибосом і там бере участь у синтезі білка. Білок, що містить тисячі амінокислот, у живій клітині синтезується за 5-6 хв, а у бактерій швидше.

Основні управляючі системи як із конваріантної редуплікації, і при внутрішньоклітинної передачі інформації використовують «матричний принцип», тобто. є матрицями, поруч із якими будуються відповідні специфічні макромолекули. В даний час успішно дешифрується закладений у структурі нуклеїнових кислот код, що служить матрицею при синтезі специфічних структур білка в клітинах. Редуплікація, заснована на матричному копіюванні, зберігає як генетичну норму, а й відхилення від неї, тобто. мутації (основа процесу еволюції). Досить точне знання молекулярно-генетичного рівня – необхідна передумова для ясного розуміння життєвих явищ, які відбуваються всіх інших рівнях організації життя.