Descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas

Prefácio

RADIAÇÃO CMB, espaço radiação eletromagnética, vindo para a Terra de todos os lados do céu com aproximadamente a mesma intensidade e possuindo um espectro característico da radiação de um corpo absolutamente negro a uma temperatura de cerca de 3 K (3 graus na escala Kelvin absoluta, que corresponde a –270° C). Nessa temperatura, a maior parcela da radiação vem de ondas de rádio nas faixas centimétrica e milimétrica. A densidade de energia da radiação cósmica de fundo em micro-ondas é de 0,25 eV/cm3. Os radioastrônomos experimentais preferem chamar isso de radiação “radiação cósmica de fundo em micro-ondas” (M. f. i.) radiação cósmica de fundo em micro-ondas, CMB). Os astrofísicos teóricos costumam chamá-lo "radiação relíquia"(o termo foi proposto pelo astrofísico russo I.S. Shklovsky), visto que no quadro da teoria do Universo quente geralmente aceita hoje, essa radiação surgiu na fase inicial da expansão do nosso mundo, quando sua matéria era quase homogênea e muito quente. Abaixo chamaremos essa radiação de “radiação relíquia”. A descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas em 1965 teve grande importância para cosmologia; tornou-se uma das conquistas mais importantes da ciência natural do século XX e, claro, a mais importante para a cosmologia após a descoberta do desvio para o vermelho nos espectros das galáxias. A fraca radiação relíquia nos traz informações sobre os primeiros momentos da existência do nosso Universo, sobre aquela era distante em que todo o Universo era quente e não existiam planetas, nem estrelas, nem galáxias. Medições detalhadas desta radiação realizadas nos últimos anos usando observatórios terrestres, estratosféricos e espaciais levantam a cortina sobre o mistério do próprio nascimento do Universo.

Descoberta do CMB

Em 1960, uma antena foi construída em Crawford Hill, Holmdel (Nova Jersey, EUA) para receber sinais de rádio refletidos do satélite balão Echo. Em 1963, esta antena não era mais necessária para trabalhar com o satélite, e os radiofísicos Robert Woodrow Wilson (n. 1936) e Arno Elan Penzias (n. 1933) do laboratório Bell Telephone decidiram usá-la para observações radioastronômicas. A antena era uma buzina de 6 metros. Juntamente com o mais recente dispositivo receptor, este radiotelescópio era naquela época o instrumento mais sensível do mundo para medir ondas de rádio vindas do espaço.

Em primeiro lugar, pretendia-se medir a emissão de rádio do meio interestelar da nossa Galáxia no comprimento de onda de 7,35 cm. Arno Penzias e Robert Wilson não conheciam a teoria do Universo quente e não pretendiam procurar microondas cósmicas. radiação de fundo. Para medir com precisão a emissão de rádio da Galáxia, foi necessário levar em consideração todas as possíveis interferências causadas pela radiação atmosfera da terra e a superfície da Terra, bem como interferências decorrentes da antena, circuitos elétricos e receptores.

Os testes preliminares do sistema receptor mostraram um pouco mais de ruído do que o esperado, mas parecia plausível que isso se devesse a um ligeiro excesso de ruído nos circuitos do amplificador. Para se livrar desses problemas, Penzias e Wilson usaram um dispositivo conhecido como “carga fria”: o sinal vindo da antena é comparado com um sinal de uma fonte artificial resfriada com hélio líquido a uma temperatura cerca de quatro graus acima do zero absoluto. (4K). Em ambos os casos, o ruído elétrico nos circuitos de amplificação deve ser o mesmo e, portanto, a diferença obtida por comparação dá a potência do sinal proveniente da antena. Este sinal contém contribuições apenas do dispositivo da antena, da atmosfera terrestre e de uma fonte astronômica de ondas de rádio dentro do campo de visão da antena. Penzias e Wilson esperavam que o dispositivo da antena produzisse muito pouco ruído elétrico. No entanto, para testar esta suposição, eles começaram as suas observações em comprimentos de onda relativamente curtos de 7,35 cm, nos quais o ruído de rádio da Galáxia deveria ser insignificante. Naturalmente, algum ruído de rádio era esperado neste comprimento de onda e da atmosfera terrestre, mas esse ruído deveria ter uma dependência característica da direção: deveria ser proporcional à espessura da atmosfera na direção para a qual a antena está voltada: um pouco menos na direção do zênite, um pouco mais na direção do horizonte. Esperava-se que após subtrair o termo atmosférico com sua dependência direcional característica, não restasse nenhum sinal significativo da antena e isso confirmaria que o ruído elétrico produzido pelo dispositivo antena era insignificante. Depois disso, será possível começar a estudar a própria Galáxia em comprimentos de onda longos – cerca de 21 cm, onde a radiação da Via Láctea é bastante perceptível.

Ruído de microondas

Para sua surpresa, Penzias e Wilson descobriram, na primavera de 1964, que estavam recebendo uma quantidade bastante notável de ruído de micro-ondas independente de direção, num comprimento de onda de 7,35 cm. Eles descobriram que esse “fundo estático” não mudava dependendo da hora do dia, e mais tarde descobriram que não dependia da época do ano. Consequentemente, esta não poderia ser radiação da Galáxia, porque neste caso a sua intensidade variaria dependendo se a antena estava olhando ao longo do plano da Via Láctea ou através dele. Além disso, se esta fosse a radiação da nossa Galáxia, então a grande galáxia espiral M 31 em Andrômeda, semelhante em muitos aspectos à nossa, também deveria emitir fortemente no comprimento de onda de 7,35 cm, mas isso não foi observado. A ausência de qualquer variação na direção do ruído de micro-ondas observado indica fortemente que estas ondas de rádio, se realmente existirem, não vêm da Via Láctea, mas de um volume muito maior do Universo. Ficou claro para os pesquisadores que precisavam testar novamente para ver se a própria antena poderia estar produzindo mais ruído elétrico do que o esperado. Em particular, sabia-se que um par de pombos fazia ninhos no chifre da antena. Eles foram capturados, enviados para o local da Bell em Whippany, libertados, redescobertos alguns dias depois em seu lugar na antena, recapturados e finalmente subjugados por meios mais drásticos. Porém, durante o aluguer do local, os pombos revestiram o interior da antena com o que Penzias chamou de “substância dielétrica branca”, que quando temperatura ambiente pode ser uma fonte de ruído elétrico. No início de 1965, a buzina da antena foi desmontada e toda a sujeira removida, mas isso, como todos os outros truques, proporcionou uma redução muito pequena no nível de ruído observado.

Quando todas as fontes de interferência foram cuidadosamente analisadas e levadas em consideração, Penzias e Wilson foram forçados a concluir que a radiação vinha do espaço e de todas as direções com a mesma intensidade. Descobriu-se que o espaço irradia como se fosse aquecido a uma temperatura de 3,5 Kelvin (mais precisamente, a precisão alcançada permitiu-nos concluir que a “temperatura do espaço” é de 2,5 a 4,5 Kelvin). Deve-se notar que este é um resultado experimental muito sutil: por exemplo, se uma barra de sorvete fosse colocada na frente do chifre da antena, ela brilharia na faixa de rádio, 22 milhões de vezes mais brilhante que a parte correspondente do céu. Considerando o resultado inesperado das suas observações, Penzias e Wilson não tiveram pressa em publicar. Mas os acontecimentos desenvolveram-se contra a sua vontade. Acontece que Penzias ligou para seu amigo Bernard Burke, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, para falar de um assunto completamente diferente. Pouco antes disso, Burke ouviu de seu colega Ken Turner, do Carnegie Institution, uma palestra que ele, por sua vez, ouviu na Universidade Johns Hopkins, proferida pelo teórico de Princeton, Phil Peebles, trabalhando sob a direção de Robert Dicke. Nesta palestra, Peebles argumentou que deve haver ruído de rádio de fundo que sobrou do Universo primordial, que agora tem uma temperatura equivalente a cerca de 10 K. Penzias ligou para Dicke e os dois grupos de pesquisa se encontraram. Ficou claro para Robert Dicke e seus colegas F. Peebles, P. Roll e D. Wilkinson que A. Penzias e R. Wilson haviam descoberto a radiação cósmica de fundo em micro-ondas do Universo quente. Os cientistas decidiram publicar simultaneamente duas cartas no prestigiado Astrophysical Journal. No verão de 1965, ambos os trabalhos foram publicados: o de Penzias e Wilson sobre a descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, e o de Dicke e colegas - com sua explicação usando a teoria de um Universo quente. Aparentemente não totalmente convencidos da interpretação cosmológica da sua descoberta, Penzias e Wilson deram à sua nota um título modesto: Medição do excesso de temperatura da antena em 4080 MHz. Eles simplesmente anunciaram que "as medições da temperatura efetiva do ruído zenital... deram um valor 3,5 K acima do esperado" e evitaram qualquer menção à cosmologia, exceto para dizer que "uma possível explicação para o excesso de temperatura do ruído observado é dada por Dicke, Peebles , Roll e Wilkinson em uma carta complementar na mesma edição da revista."

Nos anos seguintes, inúmeras medições foram feitas em vários comprimentos de onda, de dezenas de centímetros a uma fração de milímetro. As observações mostraram que o espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas corresponde à fórmula de Planck, como deveria ser para a radiação com uma determinada temperatura. Esta temperatura foi confirmada em aproximadamente 3 K. Foi feita uma descoberta notável, provando que o Universo estava quente no início da sua expansão. Esta é a complexa teia de eventos que culminou na descoberta do Universo quente por Penzias e Wilson em 1965. O estabelecimento do fato da temperatura ultra-alta no início da expansão do Universo foi ponto de partida a pesquisa mais importante que leva à revelação não apenas dos mistérios astrofísicos, mas também dos segredos da estrutura da matéria. Maioria medições precisas a radiação cósmica de fundo em micro-ondas foi realizada a partir do espaço: este é o experimento Relikt no satélite soviético Prognoz-9 (1983-1984) e o experimento DMR (Differential Microwave Radiometer) no satélite americano COBE (Cosmic Background Explorer, novembro de 1989–1993) Foi este último que permitiu determinar com maior precisão a temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas: 2,725 ± 0,002 K.

Caros visitantes!

Seu trabalho está desativado JavaScript. Ative os scripts em seu navegador e todas as funcionalidades do site serão abertas para você!

Em 2006, John Mather e George Smoot receberam o Prêmio Nobel de Física pela descoberta do espectro do corpo negro e da anisotropia da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Esses resultados foram obtidos com base em medições feitas pelo satélite COBE lançado pela NASA em 1988. Os resultados de J. Mather e J. Smoot confirmaram a origem do Universo como resultado do Big Bang. A diferença extremamente pequena na temperatura da radiação cósmica de fundo ΔT/T ~ 10 -4 é evidência do mecanismo de formação de galáxias e estrelas.

J. Mather (n. 1946)

J. Smoot (n. 1945)

Arroz. 52. Espectro de corpo negro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Radiação CMB(ou radiação cósmica de fundo em micro-ondas) foi descoberta em 1965 por A. Penzias e R. Wilson. Numa fase inicial da evolução do Universo, a matéria estava no estado de plasma. Tal meio é opaco à radiação eletromagnética; ocorre intensa dispersão de fótons por elétrons e prótons; Quando o Universo esfriou a 3.000 K, elétrons e prótons se uniram em átomos de hidrogênio neutros e o meio tornou-se transparente aos fótons. Nessa época, a idade do Universo era de 300.000 anos, então a radiação cósmica de fundo em micro-ondas fornece informações sobre o estado do Universo nesta época. Nesta época, o Universo era praticamente homogêneo. As heterogeneidades do Universo são determinadas pela heterogeneidade de temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Essa heterogeneidade é ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5. As heterogeneidades da radiação cósmica de fundo em micro-ondas são testemunhas das heterogeneidades do Universo: as primeiras estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias. Com a expansão do Universo, o comprimento de onda da CMB aumentou Δλ/λ = ΔR/R e atualmente o comprimento de onda da CMB está na faixa de ondas de rádio, a temperatura da CMB é T = 2,7 K.

Arroz. 53. Anisotropia da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Mais cor escura são mostradas seções do espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas que têm uma temperatura mais alta.

J. Mather: "No começo houve o Big Bang−então dizemos agora com grande confiança. O satélite COBE, proposto como projecto em 1974 à Agência Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) e lançado em 1989, forneceu fortes evidências a favor disto: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMBR, ou radiação cósmica de fundo em micro-ondas) tem um espectro corpo negro quase ideal com temperatura
2,725 ±0,001 K, e esta radiação é isotrópica (a mesma em todas as direções) com um desvio padrão relativo não superior a 10 por milhão em escalas angulares de 7° ou mais. Esta radiação é interpretada como um vestígio de um estágio inicial extremamente quente e denso da evolução do Universo. Numa fase tão quente e densa, a criação e destruição de fótons, bem como o estabelecimento de equilíbrio entre eles e com todas as outras formas de matéria e energia, ocorreria muito rapidamente em comparação com a escala de tempo característica da expansão do Universo. . Tal estado produziria imediatamente radiação de corpo negro. Um Universo em expansão deve manter a natureza de corpo negro deste espectro, portanto, medir qualquer desvio significativo do espectro ideal de corpo negro invalidaria toda a ideia do Big Bang ou mostraria que alguma energia foi adicionada à CMB após o rápido estabelecimento do equilíbrio. (por exemplo, da decomposição de algumas partículas primárias). O facto de esta radiação ser isotrópica num grau tão elevado é uma prova chave de que provém do Big Bang."

Arroz. 54. Robert Wilson e Arno Penzias na antena onde a radiação cósmica de fundo em micro-ondas foi registrada.

J. Smoot: “De acordo com a teoria do Universo quente, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas é a radiação residual formada nos primeiros estágios de alta temperatura da evolução do Universo, em um momento próximo ao início da expansão do Universo moderno, 13,7 bilhões de anos atrás. . O próprio CMB pode ser usado como uma ferramenta poderosa para medir a dinâmica e a geometria do Universo. O CMB foi descoberto por Penzias e Wilson no Laboratório. Bela em 1964
Eles descobriram radiação isotrópica persistente com uma temperatura termodinâmica de cerca de 3,2 K. Ao mesmo tempo, físicos de Princeton (Dicke, Peebles, Wilkinson e Roll) estavam desenvolvendo um experimento para medir a radiação cósmica de fundo em micro-ondas prevista pela teoria do universo quente. A descoberta acidental da radiação cósmica de fundo em micro-ondas por Penzias e Wilson inaugurou uma nova era na cosmologia, marcando o início da sua transformação de mito e especulação num campo científico de pleno direito.
A descoberta da anisotropia da temperatura da radiação cósmica de fundo revolucionou a nossa compreensão do Universo e a sua pesquisa moderna continuar a revolução na cosmologia. Traçar o espectro de potência angular das flutuações de temperatura da CMB com platôs, picos acústicos e uma cauda decadente de alta frequência levou ao estabelecimento de um modelo cosmológico padrão no qual a geometria do espaço é plana (correspondendo à densidade crítica), energia escura e energia escura. a matéria domina e há apenas um pouco de matéria comum. De acordo com este modelo confirmado com sucesso, a estrutura observada do Universo foi formada por instabilidade gravitacional, que amplificou as flutuações quânticas geradas no início da era inflacionária. As observações atuais e futuras testarão este modelo e identificarão os principais parâmetros cosmológicos com excelente precisão e significado."

A radiação CMB é uma radiação de micro-ondas de fundo que é a mesma em todas as direções e tem um espectro característico de um corpo negro a uma temperatura de ~ 2,7 K.

Acredita-se que a partir dessa radiação se possa descobrir a resposta à pergunta: de onde ela veio? Na verdade, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas é o que resta da “construção do Universo” quando começou a surgir após a expansão do denso plasma quente. Para facilitar a compreensão do que é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, vamos compará-la com os remanescentes atividade humana. Por exemplo, uma pessoa inventa algo, outros compram, usam e jogam fora o lixo. Portanto, o lixo (o próprio resultado da vida humana) é um análogo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Você pode descobrir tudo, desde o lixo - onde uma pessoa esteve em um determinado período de tempo, o que comeu, o que vestiu e até mesmo sobre o que estava falando. Além disso, radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Com base em suas propriedades, os cientistas estão tentando construir uma imagem do momento do big bang, que possa responder à pergunta: como surgiu o Universo? Mas ainda assim, as leis de conservação da energia criam certas divergências sobre a origem do universo, porque nada vem do nada e não vai a lugar nenhum. A dinâmica do nosso universo são transições, mudanças em propriedades e estados. Isso pode ser observado até mesmo em nosso planeta. Por exemplo, relâmpago de bola aparece em uma nuvem de partículas de água?! Como? Como pode ser isso? Ninguém consegue explicar a origem de certas leis. Existem apenas momentos da descoberta dessas leis, assim como a história da descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Fatos históricos sobre o estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas

O CMB foi mencionado pela primeira vez por Georgiy Antonovich Gamow (George Gamow) quando tentou explicar a teoria do big bang. Ele presumiu que alguma radiação residual preenchia o espaço de um universo em constante expansão. Em 1941, enquanto estudava a absorção de uma das estrelas do aglomerado de Ophiuchus, Andrew McKellar notou linhas espectrais de absorção de luz que correspondiam a uma temperatura de 2,7 K. Em 1948, Georgi Gamow, Ralph Alfert e Robert Herman estabeleceram a temperatura do radiação cósmica de fundo em micro-ondas a 5 K. Mais tarde, Georgy Gamow sugeriu uma temperatura menor que a conhecida de 3 K. Mas este foi apenas um estudo superficial disso, naquela época ninguém sabia fato conhecido. No início dos anos 60, Robert Dicke e Yakov Zeldovich obtiveram os mesmos resultados de Gamow ao registrar ondas cuja intensidade de radiação não dependia do tempo. As mentes curiosas dos cientistas tiveram que criar um radiotelescópio especial para registrar com mais precisão a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. No início dos anos 80, com o desenvolvimento da indústria espacial, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas começou a ser estudada com mais cuidado a partir de uma espaçonave. Foi possível estabelecer a propriedade de isotropia da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (as mesmas propriedades em todas as direções, por exemplo, 5 passos para o norte em 10 segundos e 5 passos para o sul em 10 segundos). Hoje, os estudos sobre as propriedades do estudo da relíquia e a história de sua ocorrência continuam.

Quais propriedades a radiação relíquia possui?

Espectro CMB a partir de dados obtidos pelo instrumento FIRAS a bordo do satélite COBE

O espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas é de 2,75 Kelvin, que é semelhante à fuligem resfriada a essa temperatura. Tal substância sempre absorve a radiação (luz) incidente sobre ela, não importa como você a influencie. Pelo menos coloque-o em uma bobina magnética, pelo menos bomba nuclear jogue-o, até mesmo ilumine-o com um holofote. Tal corpo também emite pouca radiação. Mas isto apenas prova o facto de que nada é absoluto. Você sempre pode deduzir uma lei ideal por um tempo infinitamente longo, atingir o máximo de uma determinada propriedade de algo, mas sempre permanecerá uma pequena quantidade de inércia.

Fatos interessantes relacionados ao estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas

A frequência máxima da radiação cósmica de fundo em micro-ondas foi registrada em 160,4 GHz, o que equivale a uma onda de 1,9 mm. E a densidade dessa radiação é de 400-500 fótons por cm 3. A radiação CMB é a radiação mais antiga e antiga que pode ser observada em geral no universo. Cada partícula levou 400 mil anos para chegar à Terra. Não quilômetros, mas anos! De acordo com observações de satélite e cálculos matemáticos, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas parece estar parada, e todas as galáxias e constelações se movem em relação a ela a velocidades enormes, da ordem de centenas de quilômetros por segundo. É como observar um trem em movimento pela janela. A temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas na direção da constelação é 0,1% mais alta e na direção oposta é 0,1% mais baixa. Isto explica o movimento do Sol em direção a esta constelação em relação ao fundo relíquia.

O que o estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas nos proporciona?

O Universo primitivo era frio, muito frio. Por que o universo era tão frio e o que aconteceu quando a expansão do universo começou? Pode-se supor que devido ao big bang, uma enorme quantidade de aglomerados de energia foi liberada fora do universo, então o Universo esfriou, quase congelou, mas com o tempo, a energia começou a se acumular novamente em aglomerados, e uma certa reação surgiu, que lançou o processo de expansão do universo. Então de onde vem a matéria escura e ela interage com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas? Talvez a radiação cósmica de fundo em micro-ondas seja o resultado da decomposição da matéria escura, o que é mais lógico do que a radiação residual do big bang. Já a energia escura pode ser antimatéria e partículas de matéria escura, colidindo com partículas de matéria, formam radiação no mundo material e antimaterial, semelhante à radiação relíquia. Hoje, esta é a área da ciência mais recente e inexplorada em que se pode obter sucesso e ficar marcado na história da ciência e da sociedade.

Radiação CMB

Observações astronômicas mostram que, além de fontes individuais de radiação na forma de estrelas e galáxias, existe radiação no Universo que não está dividida em fontes individuais - radiação de fundo. É observado em todas as faixas do espectro eletromagnético. Basicamente, a radiação de fundo é a soma da luminescência de várias fontes (galáxias, quasares, gás intergaláctico) tão distantes que meios modernos as observações astronômicas ainda não conseguem separar sua radiação total em componentes individuais (lembre-se que a Via Láctea, até o século XVII, era considerada uma faixa contínua de luz, e somente em 1610 Galileu Galilei, tendo-a examinado através de um telescópio, descobriu que consiste em estrelas individuais).

Em 1965, os engenheiros de rádio americanos A. Penzias e R. Wilson descobriram a radiação de fundo na faixa de microondas (comprimento de onda de 300 μm a 50 cm, frequência de 6 10 8 Hz a 10 12 Hz). Nessas frequências ondas eletromagnéticas Simplesmente não existem fontes que possam produzir radiação de fundo com tal brilho. Essa radiação é muito homogênea: até milésimos de por cento, sua intensidade é constante em todo o céu. Observe que vários por cento da “neve” que aparece na tela da TV em um canal não sintonizado é devida à radiação de fundo de micro-ondas.

A principal propriedade da radiação de fundo em micro-ondas é o seu espectro (isto é, distribuição de intensidade em função da frequência ou comprimento de onda), mostrado na Fig. 5.1.2. O espectro dessa radiação se ajusta exatamente à curva teórica bem conhecida da física - a curva de Planck. Este tipo de espectro é denominado espectro do corpo negro. Este espectro é característico de uma substância aquecida completamente opaca. A temperatura da radiação de microondas é de cerca de 3 K (mais precisamente, 2,728 K). É impossível obter um espectro de Planck adicionando radiação de qualquer fonte. A confirmação mais confiável da natureza planckiana do espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas foi obtida usando o satélite americano COBE (Cosmic Background Explorer) em 1992.

A equação da curva de Planck tem a forma

.

(5.1)

Aqui ρ ν é a densidade espectral da radiação (energia de radiação por unidade de volume e por unidade de intervalo de frequência), ν é a frequência, h é a constante de Planck, c é a velocidade da luz, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura de radiação.

Radiação de microondas O universo também é chamado de relíquia. Esse nome se deve ao fato de conter informações sobre condições físicas, reinando no Universo numa época em que as estrelas e galáxias ainda não haviam se formado. O próprio fato da existência desta radiação sugere que no passado as propriedades do Universo eram significativamente diferentes das atuais. Para fundamentar esta conclusão, apresentamos a seguinte cadeia lógica.

1. Como o espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas é o espectro de um corpo completamente negro, essa radiação é formada por um corpo aquecido completamente opaco.
2. Como essa radiação chega até nós uniformemente de todos os lados, estamos cercados por todos os lados por algum tipo de corpo opaco.
3. No entanto, o Universo - na sua forma moderna - é quase completamente transparente às ondas de rádio na faixa das microondas (milímetros e centímetros). Portanto, a matéria que emite esta radiação está muito mais longe de nós do que quaisquer objetos observáveis ​​– galáxias, quasares, etc. Lembrando o princípio “quanto mais longe no espaço, mais profundo no tempo”, chegamos à conclusão de que O Universo era completamente opaco no passado remoto, quando as estrelas e galáxias ainda não haviam se formado; e como é opaco, significa que é muito denso. A radiação de fundo das microondas é uma relíquia daquela época distante.

Observe que a homogeneidade quase perfeita desta radiação é o melhor argumento a favor do princípio cosmológico, a favor da homogeneidade do Universo em grandes escalas.

Vamos apresentar alguns dados quantitativos sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. De acordo com a lei de Wien, a temperatura da radiação de corpo negro com comprimento de onda em que ocorre a intensidade máxima λ max é calculada pela fórmula

Para radiação relíquia λ max =0,1 cm A energia média de um quantum desta radiação é de aproximadamente 1,05·10 -22 J. Atualmente, existem aproximadamente 4·10 8 fótons relíquias em cada metro cúbico. Isto é cerca de um bilhão de vezes mais do que partículas de matéria comum (mais precisamente, prótons; queremos dizer, é claro, a densidade média).

Mudança na temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas ao longo do tempo

Para fundamentar a suposição de Gamow sobre o estado inicialmente quente do Universo, usaremos dados sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Vamos tentar entender qual era sua temperatura no passado. Em outras palavras, vamos descobrir qual temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas um observador em uma galáxia com desvio para o vermelho z registraria. Para fazer isso, usamos a fórmula (2.1) λ=λ 0 (1+z), mostrando a dependência do comprimento de onda de qualquer radiação (incluindo radiação cósmica de fundo em micro-ondas) viajando no espaço intergaláctico no redshift z, e a lei de Wien (5.2) T·λ máx =0,29 Kcm. Combinando essas fórmulas, descobrimos que no redshift z a temperatura da radiação CMB T foi

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

(5.3)

Onde T 0 =2,728 K é a temperatura atual (ou seja, em z=0). Desta fórmula segue-se que anteriormente a temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas era mais alta do que é agora.

Existem também confirmações experimentais diretas desse padrão. Um grupo de cientistas americanos utilizou o maior telescópio Keck do mundo (no Havaí) com um espelho de 10 metros de diâmetro para obter espectros de dois quasares com redshifts z=1,776 e z=1,973. Como descobriram esses cientistas, as linhas espectrais desses objetos mostram que eles são irradiados com radiação térmica com temperatura de 7,4 ± 0,8 K e 7,9 ± 1,1 K, respectivamente, o que está em excelente concordância com a temperatura esperada da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. da fórmula (5.3): T(1,776) =7,58 K e T(1,973)=8,11 K. Ao mesmo tempo, aliás, esses fatos fornecem um argumento adicional a favor do fato de que a radiação de fundo em micro-ondas vem até nós de as profundezas do Universo.

. Georgy Antonovich Gamov (1904-1968).

Quanto mais próximo do Big Bang, mais quente será a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Em z~1000 (este desvio para o vermelho corresponde a uma época distante 300 mil anos do Big Bang), sua temperatura era de T~3000 K, e havia cerca de 4·10 17 fótons relíquias em cada metro cúbico. Uma radiação tão poderosa deveria ter ionizado todo o gás que existia naquela época. Então, no passado distante do Universo, as estrelas não poderiam existir, e toda a matéria era um plasma denso, quente e opaco.

É esta afirmação que constitui a essência da teoria do Universo quente, cujas bases foram lançadas pelo notável físico Georgy Antonovich Gamov, que nasceu e foi educado em nosso país, tornou-se famoso como físico aqui, mas foi forçado a emigrar para os EUA nos anos As repressões de Stalin. Esta teoria é brevemente discutida nesta seção.

> O que é radiação cósmica de fundo em micro-ondas?

Abertura radiação cósmica de fundo em micro-ondas: significado do conceito, teoria do Big Bang, expansão e mapa do Universo, movimento da luz no espaço, influência da matéria escura.

Radiação CMB– brilho do Big Bang. Esta é uma das evidências mais convincentes de que este evento ocorreu no Universo. É melhor explicado por Ned Wright, da Universidade da Califórnia (Los Angeles).

Quão útil é a radiação CMB?

"Bem, a maioria informações úteis entra em um nível baixo. Quando comecei a estudar astronomia, não havia 100% de confiança na confiabilidade da teoria do Big Bang. Portanto, a presença de radiação cósmica de fundo em micro-ondas nesta teoria e a sua ausência na teoria concorrente preencheram uma grande lacuna no conhecimento.

Além disso, o espectro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas se assemelha fortemente ao preto. Por se tratar de um corpo escuro, podemos acreditar que o Universo passou suavemente da opacidade para a transparência. A anisotropia dipolo da radiação de fundo em micro-ondas ajuda a determinar com precisão o fato de que estamos nos movendo no espaço. Um lado do céu é muito mais quente e o outro é mais frio, sugerindo a temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Ao calcular, verifica-se que nos movemos a um décimo de por cento da velocidade da luz - 370 km/s. Portanto, existe o nosso movimento e movimento através do Universo.

O satélite Planck permitiu obter mais informações sobre as linhas de radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Temos uma diferença de 3 milikelvin, então a diferença na temperatura local é de +/- 100 microquins. Portanto, é apresentado a você um desenho detalhado de uma área medindo 1,5 graus. É criado pela acústica das ondas, que são formadas devido a distúrbios de densidade nos estágios iniciais do desenvolvimento do Universo. Você pode até acompanhar quanto tempo demorou para o Universo se tornar transparente. E isso informações importantes, se você decidir estudar uma indústria tão global.”

O que a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e a matéria escura nos dizem?

“A CMB tem um padrão numa escala de 0,5 graus, o que nos dá uma linha de posição eficaz, como a navegação celestial. Você mede uma estrela com um sextante e obtém uma linha de sua localização. Mas se você olhar para o mesmo modelo (configuração de ondas acústicas), verá que tudo é mais local na distribuição das galáxias. Claro, estamos falando de objetos distantes, mas em cosmologia são territórios locais.

Essas galáxias exibem o mesmo padrão ondulatório, e você pode medi-lo, compará-lo com o que foi observado no passado e obter uma linha de interceptação de posição. Isso ajuda a determinar nosso lugar no Universo, encontrar e até contar muitos objetos. Também fica claro que existe uma energia escura que ninguém consegue entender ainda, mas sabemos o que ela pode fazer. Afinal, é justamente isso que acelera a expansão.” Você pode aprender muito mais coisas interessantes sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas do Universo (detecção, expansão do Universo, big bang, desvio para o vermelho, anomalias) se assistir ao vídeo.

Polarização CMB

O físico Dmitry Gorbunov sobre o experimento BICEP2, o estágio da inflação e o desenvolvimento da teoria da gravidade:

Anomalias CMB

O astrofísico Oleg Verkhodanov sobre multipolos baixos, a influência de objetos próximos do espaço nas medições cosmológicas e levando em consideração fontes não descobertas: