Language
Country/Area
No result found
Прозрачный возраст Вселенной: в чем секрет периода рекомбинации?
В наблюдаемой Вселенной космический микроволновый фон (CMB) — это повсеместное микроволновое излучение, заполняющее все наблюдаемое пространство. Фоновое пространство между галактиками и звездами, наблюдаемое обычными оптическими телескопами, почти полностью темное, но если мы используем достаточно чувствительный радиотелескоп, мы можем обнаружить слабое фоновое свечение, не связанное ни с какими звездами, галактиками или другими объектами. Этот слабый свет наиболее интенсивен в микроволновой области электромагнитного спектра.
В 1965 году случайное открытие американских радиоастрономов Арно Пензиаса и Роберта Уилсона имело огромное значение, ознаменовав конец работы ученых в 1940-х годах. Появление космического микроволнового фонового излучения стало важнейшим доказательством теории Большого взрыва. В модели Большого взрыва ранняя Вселенная была заполнена непрозрачной, плотной, горячей плазмой субатомных частиц. По мере расширения Вселенной эта плазма остывала, а протоны и электроны объединялись, образуя нейтральные атомы, в основном водород. Эти атомы не способны рассеивать тепловое излучение посредством томсоновского рассеяния, что делает Вселенную прозрачной.
В сочетании с этим разделительным событием эпохи фотоны получили возможность свободно перемещаться в пространстве. Однако по мере расширения Вселенной энергия этих фотонов уменьшается из-за красного смещения, вызванного расширением Вселенной.
Это называется «поверхностью последнего рассеяния» и представляет собой правильный диапазон расстояний, на котором могут быть получены фотоны, первоначально испущенные во время развязки. Хотя реликтовое излучение приблизительно однородно, оно не совсем гладкое и демонстрирует небольшую анизотропию. Для измерения этих температурных неоднородностей использовались наземные и космические эксперименты, такие как COBE, WMAP и Planck.
Анизотропная структура определяется различными взаимодействиями между материей и фотонами в точке разъединения, образуя характерный рисунок из выступов и неровностей, который меняется в зависимости от углового масштаба.
Анизотропное распределение реликтового излучения имеет компоненты частотной сетки, которые можно представить спектром мощности, показывающим ряд пиков и спадов. Пики этого спектра несут ключевую информацию о физических свойствах ранней Вселенной: первый пик определяет общую кривизну Вселенной, а второй и третий пики детализируют плотности обычной материи и так называемой темной материи.
Извлечение деталей из данных реликтового излучения может оказаться сложной задачей, поскольку излучение изменяется под воздействием объектов переднего плана, таких как скопления галактик.
Характеристики космического микроволнового фона
Космическое микроволновое фоновое излучение представляет собой равномерное излучение тепловой энергии черного тела со всех направлений, интенсивность которого измеряется в Кельвинах (К). Спектр горячего черного тела реликтового излучения наиболее четко определен при температуре 2,72548±0,00057 К. Изменения интенсивности выражаются как изменения температуры, а температура черного тела может однозначно описывать интенсивность излучения на всех длинах волн. Измеренная яркостная температура на любой длине волны может быть преобразована в температуру черного тела.
Излучение реликтового фона очень однородно по всему небу и имеет слабую структуру по сравнению со сгустками материи в звездах или галактиках. Его излучение изотропно во всех направлениях примерно до 1 части на 25 000.
Хотя анизотропия РИ чрезвычайно мала, многие ее аспекты можно измерить с высокой точностью, и эти измерения имеют решающее значение для космологических теорий. Помимо температурной анизотропии, РИ должно иметь угловые изменения поляризации. Направление поляризации в каждом направлении неба описывается поляризацией E-моды и B-моды. Интенсивность сигнала E-моды в 10 раз меньше анизотропии температуры. Она служит дополнением к температурным данным и коррелирует с ними.
Сигнал B-моды слабее, но может содержать дополнительные космологические данные, а происхождение анизотропии также связано с физикой поляризации.
Также ожидается, что РИ будет демонстрировать небольшие спектральные искажения в спектре, которые отклоняются от закона черного тела. Это также одно из направлений активных исследований, и исследователи надеются впервые измерить их в ближайшие несколько десятилетий, поскольку они содержат богатую информацию о первичной Вселенной и формировании более поздних структур.
По данным Чака из работы Хаббла V4, при соотношении размеров 400 к 1 реликтовое излучение содержит большую часть фотонов во Вселенной, а его плотность в миллиард раз превышает плотность материи во Вселенной. Это означает, что без расширения Вселенной, охлаждающего реликтовое излучение, ночное небо было бы таким же ярким, как Солнце.
С исторической точки зрения
Существование реликтового излучения было предсказано и исследовано ранними учеными. В 1931 году Жорж Леметр предположил, что остатки ранней Вселенной можно наблюдать в форме излучения; а в 1948 году Ральф Альф и Роберт Германн далее предсказали существование космического микроволнового фона и оценили его температуру примерно в 5 Кельвинов. Хотя и было небольшое отклонение, теоретическая основа была сформирована.
Первое положительное обнаружение реликтового излучения произошло в 1964 году, когда ученые из Принстонского университета начали создавать приборы для измерения реликтового излучения, а затем в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно обнаружили существование реликтового излучения в лабораториях Белла.
В 1965 году это открытие не только продемонстрировало существование реликтового излучения, но и стало крупным прорывом в области космологии, подтвердив модель Большого взрыва.
С развитием технологий такие детекторы, как COBE, WMAP и Planck, продолжают проводить углубленные исследования реликтового излучения, предоставляя убедительные доказательства и теоретические рекомендации для нашего понимания формирования и эволюции Вселенной.
Сегодня исследования космического микроволнового фона все еще продолжаются, и ученые по-прежнему с энтузиазмом изучают информацию о ранней Вселенной. Итак, какие неразгаданные тайны, по вашему мнению, скрывает космический микроволновый фон?
