Реликтовое излучение Большого взрыва

Содержание

• 1 Введение
• 2 Природа излучения
• 3 История исследования 3.1 Предсказание
• 3.2 Предыстория
• 3.3 Открытие
• 3.4 Исследование неоднородностей

Рели́ктовое излуче́ние

(или
космическое микроволновое фоновое излучение
от англ. cosmic microwave background radiation)[1] — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 .

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов. Благодаря эффекту Комптона, фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, испытывая с ними упругие столкновения и обмениваясь энергией. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы и, на определённом этапе, для электронов стало энергетически предпочтительней, соединившись с протонами — ядрами водорода и альфа-частицами — ядрами гелия, сформировать атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны перестали рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной, температура излучения снизилась и сейчас составляет 2,725 К.

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати

Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму из электронов, протонов и фотонов. В этой плазме фотоны постоянно излучались, сталкивались с другими частицами и поглощались. По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, так что на определённом этапе замедлившиеся электроны стали соединяться с замедлившимися протонами, образуя первые во Вселенной атомы (этот процесс называется первичной рекомбинацией водорода). Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, при температуре плазмы около 3000 °K.

С этого времени некоторые фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение — те древние фотоны, которые излучила плазма ранней Вселенной после Большого взрыва в сторону будущего расположения Земли. Спустя 13,8 млрд лет фотоны до сих пор идут к нам, потому что расширение Вселенной пока что продолжается.

Сейчас температура излучения составляет около 2,7 °K. Оно поступает со всех сторон практически равномерно.

Наблюдаемая Вселенная в преломлении через реликтовое излучение называется поверхностью последнего рассеяния. Это самый удалённый объект, который мы можем наблюдать.

Интересным феноменом реликтового излучения является его анизотропия, то есть неоднородность. В марте 2013 года специалисты Европейского космического агентства опубликовали самую подробную карту реликтового излучения, составленную по результатам сбора данных космической обсерваторией «Планк», начиная с 2009 года.

На этой карте чётко видны два странных явления. Первое — изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной.

Изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной
Второй феномен — необычно большое холодное пятно, хорошо заметное на карте. Раньше специалисты считали, что это ошибка измерения. Но обсерватория «Планк» предоставила более точную информацию, подтвердив эффект.

По мнению учёных, неравномерность реликтового излучения — температурные флуктуации — объясняется колебаниями плазмы в крошечной ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Традиционно температурные флуктуации отображаются областями разного цвета. Например, самые горячие области — красным, а самые холодные — синим. Эти области проецируются на плоскую карту с помощью стандартной стереографической проекции. Были попытки создать компьютерные 3D-модели сферы реликтового излучения, которые пользователь мог вращать и рассматривать на экране. Но в этом случае информация об анизотропии передавалась по тому же визуальному принципу через цветовую шкалу.

Магистранты кафедры физики Имперского колледжа Лондона предложили новый способ визуализации при помощи 3D-печати. На спроектированной ими сфере реликтового излучения области разных температур ощущаются не только визуально, но и тактильно. По их мнению, портативная сфера реликтового излучения, которую можно взять в руку, имеет ряд преимуществ в учебной и научной работе, а особенно полезна для людей с нарушениями зрения.

Раньше 3D-печать уже применяли для визуализации математических функций и результатов моделирования сложных систем.

Сфера реликтового излучения — ещё один пример полезного применения 3D-печати для научных целей. Для преобразования научных данных космической обсерватории «Планк» в формат STL молодые британские учёные использовали программы MeshLab, Cura, Blender!, Netfabb и другие.

Научная работа опубликована в журнале European Journal of Physics

(doi: 10.1088/0143-0807/38/1/015601).

Файлы для печати выложены отдельно на научном хостинге Zenodo.

128_scaled.stl — STL-файл для печати монохромной версии (исследователи использовали принтер Ultimaker). cmbhollow.wrl — VRML-файл для окрашивания изделия в ZPrinter.

Аналогичный метод подходит для визуализации других научных данных, в том числе результатов астрономических наблюдений. Например, для печати топографических карт планет, моделей поверхностей и внутренней структуры звёзд, распределения звёзд в галактиках, распределения вещества в масштабной модели Вселенной. В каком-то смысле данную работу можно рассматривать как первый концептуальный образец для большого количества потенциальных вариантов использования.

Предсказание[править]

Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К[2]. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной

температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Предыстория[править]

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение[3]. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента»[4].

Открытие[править]

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов. В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорвали куш, парни». После совместного обсуждения, группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Реликтовое излучение

Первое случайное обнаружение

В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил[5][6], что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения[7].

Предсказание

В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К[8]. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной

температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Предыстория

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение[9]. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента»[10].

Открытие

Рупорно-параболическая антенна в Холмдейле, 1962 год.
Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов.

В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле[en] (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Исследование неоднородностей

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения[11]. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE[12]. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев[13][14][15][16].

Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE (ошибки измерений не видны в масштабе рисунка)

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA COBE, выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства[17][18]. Предполагалось, что наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев с возможным продлением полёта на 1 год, и что обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.

Исследование неоднородностей[править]

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1

российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Тем не менее, в 2006 году Нобелевская премия по физике за это была присуждена американцам, объявившим о подобном открытии тремя месяцами позже на основании данных эксперимента COBE[5][6].

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS

, установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE), выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства[7][8]. Наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев; так же возможно продление полёта на 1 год. Обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.

Карта (панорама) анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. Восстановленная карта (панорама) анизотропии реликтового излучения с исключённым изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображением дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области.

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 . Оно изотропно с точностью до 0,01 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6,706 мК [9]), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчёта, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с[10]. Красное смещение для реликтового излучения немного превосходит 1000[11].

В чем польза реликтового излучения?

Начнем с того, что самые важные сведения мы получаем из фонового реликтового излучения Вселенной. Когда я только увлекся астрономией, еще не было 100% уверенности, что Большой Взрыв действительно произошел и что Вселенная начала существование именно так. Поэтому даже само предсказание наличия реликтового излучения уже было важным звеном.

Важно и то, что спектр реликтового излучения сильно смахивает на черное тело. Значит, пространство постепенно перешло от непрозрачного состояния в прозрачное. Если присмотреться, то поймем, что видим изотермическую полость.

Дипольная анизотропия реликтового излучения помогает подтвердить наше движение сквозь Вселенную и даже измерить его. Получается так, что одна небесная сторона обладает более высокой температурой, а вторая холодной. Поэтому мы перемещаемся на 1/10 от процента скорости света (370 км/с).

В итоге, мы располагает спутником Планка, который исследует эти линии и измеряет статистическую картину анизотропии в температурных показателях. Если между высокой и низкой температурой установлена разница в 3 микрокельвина, то между двумя точками разница может быть в 100 микрокельвинов. При осмотре рисунков этих пятен можно заметить интересную особенность, созданную волновой акустикой. Это колебания плотности, произошедшие в начале истории Вселенной. Причем они путешествуют и до того момента, как пространство стало прозрачным.

Дипольная анизотропия[править]

Наблюдения показали, что в реликтовом излучении заметно выделена дипольная составляющая. Согласно закону Доплера, этот факт интерпретируется как движение местной группы (скопления галактик, включающего Млечный путь) со скоростью 627 ± 22 км/сек относительно фонового реликтового излучения в направлении l = 276 ± 3°, b = 30 ± 3° в галактических координатах[12][13]. Однако, существуют альтернативные теории, которые также могут объяснить выделенность дипольной компоненты реликтового излучения[14].

Интересные факты, связанные с исследованием реликтового излучения

Максимальная частота реликтового излучения была зарегистрирована в 160,4 ГГц, что равно 1,9 мм волне. А плотность такого излучения составляет 400-500 фотонов на см3. Реликтовое излучение – это самое старое, самое древнее излучение, которое можно наблюдать вообще во вселенной. Каждая частица пролетела 400 000 лет, чтобы достигнуть Земли. Не километров, а лет! По данным наблюдений спутника и математическим расчетам реликтовое излучение как бы стоит на месте, а все галактики и созвездия движутся относительно него с огромной скоростью, порядка сотни километров в секунду. Это как наблюдать в окно движущегося поезда. Температура реликтового излучения в направлении созвездия Льва на 0,1% выше, а в противоположном направлении на 0,1% ниже. Это объясняет движение Солнца в сторону данного созвездия относительно реликтового фона.

Поляризация[править]

Реликтовое излучение поляризовано на уровне в несколько мкК . Выделяются E

-мода (градиентная составляющая) и
B
-мода (роторная составляющая)[15] по аналогии с поляризацией электромагнитного излучения.
E
-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния.
B
-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 мкК, не может возникать вследствие взаимодействия с плазмой.

B

-мода является признаком инфляции вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение
B
-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что
B
-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной
E
-модой[16].

Анализ[править]

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Сплошной линией показаны теоретические предсказания.
Анализ реликтового излучения с целью получения его карт, углового спектра мощности, а в конечном итоге космологических параметров, является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, представляющим разложение фона по сферическим гармоникам, на практике трудно учитывать шумовые эффекты.

Для анализа данных используются специализированные пакеты:

• HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelization) — пакет приложений, используемый командой WMAP.
• GLESP (Gauss-Legendre Sky Pixelization) — пакет, разработанный в качестве альтернативы HEALPix при участии учёных из России, Германии, Англии и Тайваня.

Каждый пакет использует свой формат хранения карты реликтового излучения и свои методы обработки.