Космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение)

Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ), также известное как реликтовое излучение, — это электромагнитное излучение, заполняющее всю Вселенную и являющееся одним из ключевых доказательств теории Большого взрыва. Оно представляет собой "эхо" ранней Вселенной и содержит важную информацию о её происхождении, эволюции и структуре.

 

Основные характеристики реликтового излучения

1. Спектр:

   • Реликтовое излучение имеет спектр, практически идеально соответствующий спектру абсолютно черного тела с температурой около 2,725 К (-270,425 °C). Это указывает на то, что излучение возникло в условиях теплового равновесия.

2. Изотропность:

   • Излучение практически одинаково во всех направлениях (изотропно), с небольшими отклонениями порядка 10^-5. Эти отклонения (анизотропии) содержат информацию о ранней Вселенной.

3. Пик интенсивности:

   • Максимум интенсивности излучения приходится на микроволновый диапазон, на длину волны около 1,9 мм (частота ~160 ГГц).

 

История открытия

• Теоретическое предсказание:

  • Существование реликтового излучения было предсказано в 1948 году Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом как следствие теории Большого взрыва. Они предположили, что ранняя Вселенная была горячей и плотной, а её остывание должно было оставить после себя остаточное излучение.

• Экспериментальное открытие:

  • В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение с помощью радиотелескопа. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году.

 

Происхождение реликтового излучения

1. Ранняя Вселенная:

   • В первые моменты после Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, состоящей из плазмы (смеси фотонов, электронов, протонов и других частиц).

   • Фотоны постоянно взаимодействовали с заряженными частицами (электронами и протонами) через комптоновское рассеяние, что делало Вселенную непрозрачной.

2. Эпоха рекомбинации:

   • Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла до температуры около 3000 К, что позволило электронам и протонам объединиться в нейтральные атомы водорода (процесс рекомбинации).

   • После этого фотоны перестали интенсивно взаимодействовать с веществом, и Вселенная стала прозрачной. Эти фотоны, свободно распространяющиеся с момента рекомбинации, и наблюдаются сегодня как реликтовое излучение.

3. Красное смещение:

   • За время расширения Вселенной длина волны реликтовых фотонов увеличилась из-за красного смещения, а их энергия уменьшилась. Температура излучения упала с ~3000 К до ~2,7 К.

 

Научное значение реликтового излучения

1. Подтверждение теории Большого взрыва:

   • Открытие реликтового излучения стало одним из главных подтверждений теории Большого взрыва. Оно подтвердило, что Вселенная в прошлом была горячей и плотной.

2. Изучение ранней Вселенной:

   • Реликтовое излучение содержит информацию о состоянии Вселенной в эпоху рекомбинации, а также о процессах, происходивших до неё.

3. Космологические параметры:

   • Изучение реликтового излучения позволяет определить ключевые параметры Вселенной, такие как:

     • Возраст Вселенной (~13,8 млрд лет).

     • Состав Вселенной (обычное вещество, тёмная материя, тёмная энергия).

     • Скорость расширения Вселенной (постоянная Хаббла).

4. Первичные неоднородности:

   • Маленькие флуктуации температуры реликтового излучения (анизотропии) отражают первичные неоднородности плотности, которые позже стали "зародышами" крупномасштабной структуры Вселенной (галактик, скоплений галактик).

 

Исследование реликтового излучения

1. Спутниковые миссии:

   • COBE (Cosmic Background Explorer, 1989–1993):

     • Впервые измерил спектр реликтового излучения и подтвердил его соответствие спектру абсолютно черного тела.

     • Обнаружил анизотропии температуры.

   • WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 2001–2010):

     • С высокой точностью измерил анизотропии и определил ключевые космологические параметры.

   • Planck (2009–2013):

     • Получил наиболее точные данные о спектре и анизотропиях реликтового излучения.

     • Уточнил состав Вселенной и параметры космологической модели.

2. Наземные и баллонные эксперименты:

   • Например, эксперименты BOOMERanG, ACT, SPT и другие изучали мелкомасштабные анизотропии и поляризацию реликтового излучения.

 

Поляризация реликтового излучения

• Реликтовое излучение имеет слабую поляризацию, которая возникла из-за рассеяния фотонов на электронах в ранней Вселенной.

• Поляризация содержит информацию о:

  • Первичных гравитационных волнах, которые могли возникнуть в эпоху инфляции.

  • Крупномасштабной структуре Вселенной.

 

Будущие исследования

1. Поиск первичных гравитационных волн:

   • Обнаружение B-мод поляризации реликтового излучения может подтвердить теорию космологической инфляции.

2. Уточнение космологических параметров:

   • Будущие эксперименты, такие как CMB-S4, направлены на повышение точности измерений реликтового излучения.

3. Изучение тёмной энергии и тёмной материи:

   • Реликтовое излучение помогает уточнить свойства этих загадочных компонентов Вселенной.

 

Заключение

Космическое микроволновое фоновое излучение — это уникальное "окно" в раннюю Вселенную. Его изучение позволило подтвердить теорию Большого взрыва, определить состав и эволюцию Вселенной, а также поставить новые вопросы о природе тёмной энергии, тёмной материи и происхождении Вселенной. Реликтовое излучение остаётся одним из главных инструментов современной космологии.