Вход
Регистрация Зарегистрируйтесь, чтобы получить расширенные возможности...

Реликтовое излучение

Рели́ктовое излуче́ние (англ. cosmic microwave background radiation) — фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Наблюдается на волнах от нескольких мм до десятков см, практически изотропно. Происхождение реликтового излучения связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность (горячая Вселенная). Реликтовое излучение обнаружено в 1964 году Пензисом и Вильсоном. Название «реликтовое» предложил И.С. Шкловский.
Реликтовое излучение представляет собой основную составляющую яркости неба в диапазоне от децимитровых до субмиллиметровых радиоволн. В сантиметровом диапазоне реликтовое излучение преобладает над другими фоновыми излучениями и описывается классическими уравнениями Релея — Джинса. А в миллиметровом диапазоне достигается максимум и согласно планковской кривой происходит экспоненциальный спад интенсивности. Равновесный характер спектра реликтового излучения связан не с тем, что существуют быстрые процессы релаксации, устанавливающие этот спектр, а, напротив, с тем, что излучению, после эпохи рекомбинации z = 1000, стало не с чем взаимодействовать. Вторичный разогрев и реионизация газа должны отпечататься на реликтовом спектре в виде тонких деталей, не превышающих десятитысячных долей градуса, причем наиболее существенно именно на его субмиллимитровой ниспадающей ветви. Так что от точных экспериментов в этой области ожидают многого.
Часть этого излучения приходится на тот диапозон, в котором ведутся телевизионные передачи. Поэтому та рябь, которую каждый может видеть на канале ТВ, когда передачи закончились, образуется не без участия реликтового излучения.
Реликтовое излучение фактически определяет плотность энергии электромагнитного излучения во Вселенной, а также плотность числа фотонов: около 400 в 1 см3, что соответсвует 0,25 эВ/см3.
Мы не видим реликтовое излучение, потому что расширение Вселенной приводит к смещению цветов спектра в сторону красного (при удалении источника увеличивается длина волны света). Эффект становится очень заметным, если он накапливается в течение всей предшествующей жизни космоса, излучение становится микроволновым, невидимым для глаза. Но его можно зарегистрировать с помощью радиотелескопов. Реликтовое излучение представляет собой самое древнее из имеющихся свидетельств нашей эволюции. Оно было испущено, когда прошло меньше одной тысячной доли всей жизни Вселенной.
Реликтовое излучение участвовало и участвует в важнейших крупномасштабных процессах во Вселенной и поэтому должно нести на себе отпечаток этих процессов.
Редактировать

Свойства реликтового излучения

Значение современной температуры реликтового излучения, вычисленное с помощью спутников, составляет 2,7356\(\pm\) 0,038 К.
Обнаружена слабая анизотропия реликтового излучения, объясняемая движением земного наблюдателя через заполненное излучением пространство. Вследствие эффекта Доплера излучение прямо по направлению движения должно казаться немного более горячим, а в обратном направлении — более холодным.
Анизотропия — это разница температуры реликтового излучения в различных направлениях на небе. Она возникает из - за нескольких причин. Прежде всего это эффект Сакса — Вольфа. Он возникает, когда фотон распространяется в неоднородном гравитационном поле. Если фотон движется по нарастающему гравитационному потенциалу он теряет свою энергию и испытывает красное смещение, если он движется по убывающему потенциалу он приобретает энергию и его частота смещается в голубую сторону. Для одного фотона этот эффект приводит к изменению частоты, для ансамбля фотонов - к изменению их температуры. Второй эффект — эффект Силка. Он возникает для адиабатических флуктуаций плотности. Если энтропия плазмы (т.е. отношение числа барионов к числу фотонов) однородна по пространству, то флуктуации плотности материи приводят к флуктуациям числа фотонов. Другими словами, место, где больше плотность, будет горячей. После просветления такие неоднородности выглядят как муар или рябь на поверхности последнего рассеяния.
Анизотропия реликтового излучения была открыта в 1992 г. Автор книги сам принимал участие в обработке данных полученных в ходе эксперимента на борту космического аппарата серии "Прогноз". Эксперимент назывался "Реликт". Он был поставлен в Институте Космических Исследований (ИКИ АН СССР) под руководством И. А. Струкова. Большой вклад в создание аппаратуры, без которой невозможно было бы провести эксперимент, был внесен сотрудником ИКИ АН СССР Д.П.Скулачевым.
Редактировать

История открытия и изучения реликтового излучения

В 1964 году американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон измерили фоновое радиоизлучение нашей Галактики вне плоскости эклиптики с помощью построенной для связи со спутниками рупорной антенной лаборатории фирмы «Белл-Телефо». Оказалось, что на сравнительно коротких волнах с длиной 7,35 см (микроволновый диапазон), для которых радиошум Галактики должен практически отсутствовать, система регистрирует слабый дополнительный радиошум, интенсивность которого не зависит ни от направления антенны, ни от времени суток. Пензиас и Вильсон наткнулись на этот факт случайно и некоторое время даже не решались опубликовать свои результаты, поскольку не понимали природы обнаруженного радиошума. Их статья вышла в 1965 году в Astrophysical Journal. В 1978 году они получили за свое открытие Нобелевскую премию.
Теоретические основы поиска реликтового излучение заложил Г. Гамов в середине 1940-х годов, когда предложил модель горячей фазы начальной фазы космологического расширения. Р. Альфер и Р. Херман в 50-е годы доработали идею горячего начала расширения Вселенной, из которой следовало, что сегодня в пространстве должно существовать равновесное излучение с температурой в несколько кельвинов.
О возможности обнаружить с помощью радиотелескопов реликтовое излучение в 1964 году написали советские физики А.Г. Дорошкевич и И.Д. Новиков, английский перевод их статьи вышел в том же году, но не привлек к себе внимание специалистов.
Реликтовое излучение наблюдали, но не смогли объяснить, задолго до Пензиаса и Вильсона. В 1941 году канадский астроном Э. Мак-Келлар столкнулся с необычным эффектом, в середине 1950-х годов реликтовое излучение наблюдал советский физик Т. Шмаонов, а также японские ученые.
Обнаружение редиктового излучения стало решающим наблюдательным подтверждением теории горячей Вселенной, стандартной космологической модели.
РЕЛИКТ — российский научный проект, первый космический проект по исследованию анизотропии реликтового излучения.

Спутник COBE

COBE — спутниковый проект НАСА, запущенный в 1989 году, и позволивший измерить анизотропию реликтового излучения на небесной сфере с максимально достижимым для своего времени угловым разрешением (примерно 7 градусов дуги). Этот спутник помог решить вопрос о появлении в веществе первичных неоднородностей, которые становятся зародышами формирования будущих зведз галактик. Он обеспечил возможность исследования распределения энергии по всему спектру реликтового излучения, которое должно соответствовать излучению черного тела. Приборы, имеющиеся на спутнике, поволили установить, что спектр реликтового излучения действительно представляет собой спектр излучения черного тела. В нем обнаружены незначительные отклонения, которые не превосходят 0,03% по всему диапазону наблюдаемых частот. Именно эти отклонения были признаны свидетельствами неоднородного распределния вещества во Вселенной спустя 300 тысяч лет после начала расширения. Возникновение подобных неоднородностей способствовало формированию тел, существующих ныне во Вселенной, в частности, нашей планеты.
Анизотропию и поляризацию реликтового излучения изучают в экспериментах CBI, DASI, BOOMERANG, MAXIMA-1, PLANCK.MAP.
Редактировать

Библиография

  1. Брауде С., Конторович В. Радиоволны рассказывают о Вселенной. – Litres, 2013.
  2. Разумовский, В. Г., Орлов, В. А., Никифоров, Г. Г., Майер, В. В., & Сауров, Ю. А. (2013). Физика. 11 класс. В 2-х частях. Ч. 2. Учебник. Directmedia.
  3. Т. Редже. Этюды о Вселенной. М: Мир, 1985.
  4. Анизотропия реликтового излучения и эксперимент "Реликт" М.В.Сажин Государственный астрономический институт.
  5. П.Д. Насельский, Д.И. Новиков, И.Д. Новиков «Реликтовое излучение Вселенной». М: Наука, 2003
  6. Энциклопедия "Современное естествознание. Физика элементарных частиц. Астрофизика". Том 4. М: Магистр-пресс. 2000.
  7. Физический энциклопедический словарь. М: БРЭ. 1995.
  8. Penzias A. A., Wilson R. W. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s //The Astrophysical Journal. – 1965. – Т. 142. – С. 419-421.
  9. Дорошкевич А. Г., Новиков И. Д. Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии //Доклады АН СССР. – 1964. – Т. 154. – №. 4. – С. 809-811.
Статья находится в рубриках
Яндекс.Метрика