Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde

Prefaţă

RADIAȚIA CMB, spațiu radiatie electromagnetica, care vine pe Pământ din toate părțile cerului cu aproximativ aceeași intensitate și având un spectru caracteristic radiației unui corp absolut negru la o temperatură de aproximativ 3 K (3 grade pe scara Kelvin absolută, care corespunde la –270° C). La această temperatură, ponderea principală a radiațiilor provine de la undele radio în intervalele de centimetri și milimetri. Densitatea de energie a radiației cosmice de fond cu microunde este de 0,25 eV/cm3. Radioastronomii experimentali preferă să numească această radiație „radiația de fundal cosmică cu microunde” (M. f. i.) fundal cosmic cu microunde, CMB). Astrofizicienii teoreticii o numesc adesea „radiații relicte”(termenul a fost propus de astrofizicianul rus I.S. Shklovsky), deoarece în cadrul teoriei Universului fierbinte general acceptată astăzi, această radiație a apărut în stadiul incipient al expansiunii lumii noastre, când materia sa era aproape omogenă și foarte Fierbinte. Mai jos vom numi această radiație „radiație relictă”. Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde în 1965 a avut de mare valoare pentru cosmologie; a devenit una dintre cele mai importante realizări ale științelor naturale ale secolului al XX-lea și, desigur, cea mai importantă pentru cosmologie după descoperirea deplasării spre roșu în spectrele galaxiilor. Radiația slabă relictă ne aduce informații despre primele momente ale existenței Universului nostru, despre acea eră îndepărtată când întreg Universul era fierbinte și nu existau planete, stele, galaxii în el. Măsurătorile detaliate ale acestei radiații efectuate în ultimii ani cu ajutorul observatoarelor terestre, stratosferice și spațiale ridică cortina asupra misterului însăși nașterii Universului.

Descoperirea CMB

În 1960, în Crawford Hill, Holmdel (New Jersey, SUA) a fost construită o antenă pentru a recepționa semnale radio reflectate de satelitul balon Echo. Până în 1963, această antenă nu mai era necesară pentru a lucra cu satelitul, iar fizicienii radio Robert Woodrow Wilson (n. 1936) și Arno Elan Penzias (n. 1933) de la laboratorul Bell Telephone au decis să o folosească pentru observații radioastronomice. Antena era un corn de 20 de picioare. Împreună cu un dispozitiv de recepție de ultimă generație, acest radiotelescop era la acea vreme cel mai sensibil instrument din lume pentru măsurarea undelor radio care veneau din spațiu.

În primul rând, s-a planificat măsurarea emisiei radio a mediului interstelar al galaxiei noastre la o lungime de undă de 7,35 cm Arno Penzias și Robert Wilson nu știau despre teoria Universului fierbinte și nu intenționau să caute microunde cosmice. radiații de fond. Pentru a măsura cu exactitate emisia radio a Galaxiei, a fost necesar să se țină cont de toate interferențele posibile cauzate de radiații. atmosfera pământuluiși suprafața Pământului, precum și interferențele apărute în antenă, circuite electrice și receptoare.

Testele preliminare ale sistemului de recepție au arătat ceva mai mult zgomot decât se aștepta, dar părea plauzibil că acest lucru se datorează unui ușor exces de zgomot în circuitele amplificatoarelor. Pentru a scăpa de aceste probleme, Penzias și Wilson au folosit un dispozitiv cunoscut sub numele de „încărcare rece”: semnalul care vine de la antenă este comparat cu un semnal de la o sursă artificială răcită cu heliu lichid la o temperatură de aproximativ patru grade peste zero absolut. (4 K). În ambele cazuri, zgomotul electric în circuitele de amplificare trebuie să fie același, și de aceea diferența obținută prin comparație dă puterea semnalului care vine de la antenă. Acest semnal conține contribuții numai de la dispozitivul de antenă, atmosfera pământului și o sursă astronomică de unde radio în câmpul vizual al antenei. Penzias și Wilson se așteptau ca dispozitivul cu antenă să producă foarte puțin zgomot electric. Cu toate acestea, pentru a testa această ipoteză, ei și-au început observațiile la lungimi de undă relativ scurte de 7,35 cm, la care zgomotul radio din galaxie ar trebui să fie neglijabil. Desigur, era de așteptat ceva zgomot radio la această lungime de undă și din atmosfera terestră, dar acest zgomot ar trebui să aibă o dependență caracteristică de direcție: ar trebui să fie proporțional cu grosimea atmosferei în direcția în care privește antena: puțin mai puțin. în direcția zenitului, puțin mai mult în direcția orizontului. Era de așteptat ca după scăderea termenului atmosferic cu dependența lui direcțională caracteristică, să nu rămână semnal semnificativ de la antenă și acest lucru să confirme că zgomotul electric produs de dispozitivul de antenă era neglijabil. După aceasta, va fi posibil să începem studiul Galaxy însăși la lungimi de undă lungi - aproximativ 21 cm, unde radiația Căii Lactee este destul de vizibilă.

Zgomot cuptor cu microunde

Spre surprinderea lor, Penzias și Wilson au descoperit în primăvara anului 1964 că primesc o cantitate destul de vizibilă de zgomot de microunde, independent de direcție, la o lungime de undă de 7,35 cm. Ei au descoperit că acest „fond static” nu s-a schimbat în funcție de momentul zilei, iar mai târziu au descoperit că nu depinde de perioada anului. În consecință, aceasta nu ar putea fi radiație din Galaxie, deoarece în acest caz intensitatea acesteia ar varia în funcție de faptul că antena privea de-a lungul planului Căii Lactee sau peste el. Mai mult, dacă aceasta ar fi radiația din Galaxia noastră, atunci marea galaxie spirală M 31 din Andromeda, asemănătoare în multe privințe cu a noastră, ar trebui să emită și ea puternic la o lungime de undă de 7,35 cm, dar acest lucru nu a fost observat. Absența oricărei variații de direcție a zgomotului observat de microunde a indicat puternic că aceste unde radio, dacă există efectiv, nu provin din Calea Lactee, ci dintr-un volum mult mai mare al Universului. Cercetătorilor le-a fost clar că trebuie să testeze din nou pentru a vedea dacă antena în sine ar putea produce mai mult zgomot electric decât se aștepta. În special, se știa că o pereche de porumbei cuibărește în cornul antenei. Au fost prinși, trimiși pe site-ul Bell din Whippany, eliberați, redescoperiți câteva zile mai târziu în locul lor în antenă, recapturați și, în cele din urmă, supuși prin mijloace mai drastice. Cu toate acestea, în timpul închirierii spațiilor, porumbeii au acoperit interiorul antenei cu ceea ce Penzias a numit „substanță dielectrică albă”, care atunci când temperatura camerei ar putea fi o sursă de zgomot electric. La începutul anului 1965, claxonul antenei a fost demontat și toată murdăria a fost curățată, dar aceasta, la fel ca toate celelalte trucuri, a dat o reducere foarte mică a nivelului de zgomot observat.

Când toate sursele de interferență au fost analizate cu atenție și luate în considerare, Penzias și Wilson au fost forțați să concluzioneze că radiația provine din spațiu și din toate direcțiile cu aceeași intensitate. S-a dovedit că spațiul radiază ca și cum ar fi încălzit la o temperatură de 3,5 kelvin (mai precis, precizia obținută ne-a permis să concluzionam că „temperatura spațiului” este de la 2,5 la 4,5 kelvin). Trebuie remarcat faptul că acesta este un rezultat experimental foarte subtil: de exemplu, dacă un baton de înghețată ar fi plasat în fața cornului antenei, acesta ar străluci în domeniul radio, de 22 de milioane de ori mai strălucitor decât partea corespunzătoare a cerului. Având în vedere rezultatul neașteptat al observațiilor lor, Penzias și Wilson nu s-au grăbit să publice. Dar evenimentele s-au dezvoltat împotriva voinței lor. S-a întâmplat că Penzias l-a sunat pe prietenul său Bernard Burke de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts pentru o cu totul altă problemă. Cu puțin timp înainte de aceasta, Burke auzise de la colegul său Ken Turner de la Instituția Carnegie despre o discuție pe care, la rândul său, o auzise la Universitatea Johns Hopkins, susținută de teoreticianul de la Princeton Phil Peebles, care lucra sub conducerea lui Robert Dicke. În această discuție, Peebles a susținut că trebuie să rămână zgomot radio de fundal din Universul timpuriu, care are acum o temperatură echivalentă de aproximativ 10 K. Penzias l-a sunat pe Dicke și cele două grupuri de cercetare s-au întâlnit. Robert Dicke și colegii săi F. Peebles, P. Roll și D. Wilkinson au devenit clar că A. Penzias și R. Wilson au descoperit radiația cosmică de fond cu microunde a Universului fierbinte. Oamenii de știință au decis să publice simultan două scrisori în prestigiosul Astrophysical Journal. În vara anului 1965, ambele lucrări au fost publicate: de Penzias și Wilson despre descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde și de Dicke și colegii săi - cu explicația acesteia folosind teoria unui Univers fierbinte. Aparent nefiind convinși complet de interpretarea cosmologică a descoperirii lor, Penzias și Wilson și-au dat notei lor un titlu modest: Măsurarea temperaturii excesului de antenă la 4080 MHz. Ei au anunțat pur și simplu că „măsurătorile temperaturii efective de zgomot zenital... au dat o valoare cu 3,5 K mai mare decât se aștepta” și au evitat orice mențiune despre cosmologie, cu excepția faptului că „o posibilă explicație pentru excesul de temperatură a zgomotului observat este dată de Dicke, Peebles. , Roll și Wilkinson într-o scrisoare însoțitoare din același număr al revistei.”

În anii următori, s-au făcut numeroase măsurători la diferite lungimi de undă de la zeci de centimetri până la o fracțiune de milimetru. Observațiile au arătat că spectrul radiației cosmice de fond cu microunde corespunde formulei lui Planck, așa cum ar trebui să fie pentru radiația cu o anumită temperatură. S-a confirmat că această temperatură este de aproximativ 3 K. S-a făcut o descoperire remarcabilă, care demonstrează că Universul era fierbinte la începutul expansiunii sale. Aceasta este rețeaua complexă de evenimente care a culminat cu descoperirea Universului fierbinte de către Penzias și Wilson în 1965. Stabilirea faptului de temperatură ultra-înaltă la începutul expansiunii Universului a fost Punct de start cea mai importantă cercetare care a condus la dezvăluirea nu numai a misterelor astrofizice, ci și a secretelor structurii materiei. Cel mai măsurători precise radiațiile cosmice de fond cu microunde au fost efectuate din spațiu: acesta este experimentul Relikt pe satelitul sovietic Prognoz-9 (1983–1984) și experimentul DMR (Differential Microwave Radiometer) pe satelitul american COBE (Explorator de fundal cosmic, noiembrie 1989–1993) Acesta din urmă a făcut posibilă determinarea cu cea mai mare precizie a temperaturii radiației cosmice de fond cu microunde: 2,725 ± 0,002 K.

Dragi vizitatori!

Munca dvs. este dezactivată JavaScript. Vă rugăm să activați scripturile în browser, iar funcționalitatea completă a site-ului vă va deschide!

În 2006, John Mather și George Smoot au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea spectrului corpului negru și a anizotropiei radiației cosmice de fond cu microunde. Aceste rezultate au fost obținute pe baza măsurătorilor efectuate cu ajutorul satelitului COBE lansat de NASA în 1988. Rezultatele lui J. Mather și J. Smoot au confirmat originea Universului ca urmare a Big Bang-ului. Diferența extrem de mică de temperatură a radiației cosmice de fond ΔT/T ~ 10 -4 este o dovadă a mecanismului de formare a galaxiilor și stelelor.

J. Mather (n. 1946)

J. Smoot (n. 1945)

Orez. 52. Spectrul corpului negru al radiației cosmice de fond cu microunde.

radiația CMB(sau radiația cosmică de fond cu microunde) a fost descoperită în 1965 de A. Penzias și R. Wilson. Într-un stadiu incipient al evoluției Universului, materia se afla în stare de plasmă. Un astfel de mediu este opac la radiația electromagnetică are loc o împrăștiere intensă a fotonilor de către electroni și protoni. Când Universul s-a răcit la 3000 K, electronii și protonii s-au unit în atomi de hidrogen neutri și mediul a devenit transparent pentru fotoni. În acest moment, vârsta Universului era de 300.000 de ani, așa că radiația cosmică de fond cu microunde oferă informații despre starea Universului în această eră. În acest moment, Universul era practic omogen. Neomogenitățile Universului sunt determinate de neomogenitatea temperaturii radiației cosmice de fond cu microunde. Această eterogenitate este ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5. Neomogenitățile radiației cosmice de fond cu microunde sunt martori ale neomogenităților Universului: primele stele, galaxii, clustere de galaxii. Odată cu expansiunea Universului, lungimea de undă a CMB a crescut Δλ/λ = ΔR/R și în prezent lungimea de undă a CMB este în domeniul undelor radio, temperatura CMB este T = 2,7 K.

Orez. 53. Anizotropia radiației cosmice de fond cu microunde. Mai mult culoare inchisa sunt prezentate secțiuni ale spectrului radiației cosmice de fond cu microunde care au o temperatură mai mare.

J. Mather: „La început a fost Big Bang-ul−așa că spunem acum cu mare încredere. Satelitul COBE, propus ca proiect în 1974 Agenției Naționale de Aeronautică și Spațială (NASA) și lansat în 1989, a oferit dovezi foarte puternice în favoarea acestui fapt: radiația cosmică de fond cu microunde (CMBR, sau radiația cosmică de fond cu microunde) are o spectru aproape perfect corpul negru cu temperatura
2,725 ± 0,001 K, iar această radiație este izotropă (aceeași în toate direcțiile) cu o abatere standard relativă de cel mult 10 per milion la scale unghiulare de 7° sau mai mult. Această radiație este interpretată ca o urmă a unui stadiu incipient extrem de cald și dens al evoluției Universului. Într-o fază atât de fierbinte și densă, crearea și distrugerea fotonilor, precum și stabilirea echilibrului între aceștia și cu toate celelalte forme de materie și energie, ar avea loc foarte repede în comparație cu scara de timp caracteristică expansiunii Universului. . O astfel de stare ar produce imediat radiații de corp negru. Un Univers în expansiune trebuie să păstreze natura de corp negru a acestui spectru, astfel încât măsurarea oricărei abateri semnificative de la spectrul ideal de corp negru ar invalida întreaga idee Big Bang sau ar arăta că a fost adăugată o anumită energie la CMB după stabilirea rapidă a echilibrului. (de exemplu, din degradarea unor particule primare). Faptul că această radiație este izotropă într-un grad atât de mare este o dovadă cheie că provine din Big Bang".

Orez. 54. Robert Wilson și Arno Penzias la antena unde a fost detectată radiația cosmică de fond cu microunde.

J. Smoot: „Conform teoriei Universului fierbinte, radiația cosmică de fond cu microunde este radiație reziduală formată în primele etape de temperatură înaltă ale evoluției Universului într-un moment apropiat de începutul expansiunii Universului modern, acum 13,7 miliarde de ani. . CMB în sine poate fi folosit ca un instrument puternic pentru măsurarea dinamicii și geometriei Universului. CMB a fost descoperit de Penzias și Wilson la Laborator. Bella în 1964
Ei au descoperit radiații izotrope persistente cu o temperatură termodinamică de aproximativ 3,2 K. În același timp, fizicienii de la Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson și Roll) dezvoltau un experiment pentru a măsura radiația cosmică de fond cu microunde prezisă de teoria universului fierbinte. Descoperirea accidentală a radiației cosmice de fond cu microunde de către Penzias și Wilson a inaugurat o nouă eră în cosmologie, marcând începutul transformării acesteia din mit și speculație într-un domeniu științific cu drepturi depline.
Descoperirea anizotropiei temperaturii fondului cosmic cu microunde a revoluționat înțelegerea noastră asupra Universului și a acestuia. cercetarea modernă continua revoluția în cosmologie. Trasarea spectrului de putere unghiulară a fluctuațiilor de temperatură CMB cu platouri, vârfuri acustice și o coadă de înaltă frecvență în descompunere a condus la stabilirea unui model cosmologic standard în care geometria spațiului este plată (corespunzând densității critice), energie întunecată și întuneric. materia domină și există doar puțină materie obișnuită. Conform acestui model confirmat cu succes, structura observată a Universului a fost formată din instabilitatea gravitațională, care a amplificat fluctuațiile cuantice generate în era inflaționistă foarte timpurie. Observațiile actuale și viitoare vor testa acest model și vor identifica parametrii cosmologici cheie cu o precizie și o semnificație remarcabile.”

Radiația CMB este radiația de fond cu microunde care este aceeași în toate direcțiile și are un spectru caracteristic unui corp negru la o temperatură de ~ 2,7 K.

Se crede că din această radiație se poate afla răspunsul la întrebarea: de unde a venit? De fapt, radiația cosmică de fond cu microunde este ceea ce rămâne din „construcția Universului” când a început să apară după expansiunea plasmei dense fierbinte. Pentru a înțelege mai ușor ce este radiația cosmică de fundal cu microunde, să o comparăm cu rămășițele activitate umana. De exemplu, o persoană inventează ceva, alții îl cumpără, îl folosesc și aruncă deșeurile. Deci, gunoiul (însuși rezultatul vieții umane) este un analog al radiației cosmice de fond cu microunde. Puteți afla totul, de la gunoi - unde a fost o persoană într-o anumită perioadă de timp, ce a mâncat, ce purta și chiar despre ce vorbea. De asemenea, radiația cosmică de fond cu microunde. Pe baza proprietăților sale, oamenii de știință încearcă să construiască o imagine a momentului Big Bang, care ar putea oferi un răspuns la întrebarea: cum a apărut Universul? Dar totuși, legile conservării energiei creează anumite dezacorduri cu privire la originea universului, pentru că nimic nu vine de nicăieri și nu merge nicăieri. Dinamica universului nostru este tranziții, modificări ale proprietăților și stărilor. Acest lucru poate fi observat chiar și pe planeta noastră. De exemplu, fulger cu minge apare într-un nor de particule de apă?! Cum? Cum poate fi aceasta? Nimeni nu poate explica originea anumitor legi. Există doar momente ale descoperirii acestor legi, la fel ca istoria descoperirii radiațiilor cosmice de fond cu microunde.

Fapte istorice despre studiul radiației cosmice de fond cu microunde

CMB a fost menționat pentru prima dată de Georgiy Antonovich Gamow (George Gamow) când a încercat să explice teoria big bang-ului. El a presupus că unele radiații reziduale au umplut spațiul unui univers în continuă expansiune. În 1941, în timp ce studia absorbția uneia dintre stele din clusterul Ophiuchus, Andrew McKellar a observat linii spectrale de absorbție a luminii care corespundeau unei temperaturi de 2,7 K. În 1948, Georgi Gamow, Ralph Alfert și Robert Herman au stabilit temperatura luminii. radiația cosmică de fond cu microunde la 5 K. Mai târziu, Georgy Gamow a sugerat o temperatură mai mică decât cea cunoscută de 3 K. Dar acesta a fost doar un studiu superficial al acestui lucru, la vremea aceea nimeni nu știa fapt cunoscut. La începutul anilor '60, Robert Dicke și Yakov Zeldovich au obținut aceleași rezultate ca și Gamow prin înregistrarea undelor a căror intensitate a radiației nu depindea de timp. Mințile iscoditoare ale oamenilor de știință au trebuit să creeze un radiotelescop special pentru a înregistra cu mai multă acuratețe radiația cosmică de fond cu microunde. La începutul anilor 80, odată cu dezvoltarea industriei spațiale, radiația cosmică de fond cu microunde a început să fie studiată mai atent de la o navă spațială. A fost posibil să se stabilească proprietatea de izotropie a radiației cosmice de fond cu microunde (aceleași proprietăți în toate direcțiile, de exemplu, 5 pași spre nord în 10 secunde și 5 pași către sud în 10 secunde). Astăzi, studiile asupra proprietăților studiului relicvei și istoria apariției sale continuă.

Ce proprietăți au radiațiile relicte?

Spectrul CMB din datele obținute cu ajutorul instrumentului FIRAS de la bordul satelitului COBE

Spectrul radiației cosmice de fond cu microunde este de 2,75 Kelvin, ceea ce este similar cu funinginea răcită la această temperatură. O astfel de substanță absoarbe întotdeauna radiația (lumina) incidentă asupra ei, indiferent de modul în care o influențați. Măcar înfige-l într-o bobină magnetică, cel puțin bombă nucleară aruncați-l, chiar străluciți-l cu un reflector. Un astfel de corp emite, de asemenea, puține radiații. Dar asta dovedește doar faptul că nimic nu este absolut. Puteți deduce oricând o lege ideală la infinit, obțineți maximul unei anumite proprietăți a ceva, dar o cantitate mică de inerție va rămâne întotdeauna.

Fapte interesante legate de studiul radiației cosmice de fond cu microunde

Frecvența maximă a radiației cosmice de fond cu microunde a fost înregistrată la 160,4 GHz, ceea ce este egal cu o undă de 1,9 mm. Iar densitatea unei astfel de radiații este de 400-500 de fotoni pe cm 3. Radiația CMB este cea mai veche, cea mai veche radiație care poate fi observată în general în univers. Fiecare particulă a durat 400.000 de ani pentru a ajunge pe Pământ. Nu kilometri, ci ani! Conform observațiilor prin satelit și calculelor matematice, radiația cosmică de fond cu microunde pare să stea nemișcată, iar toate galaxiile și constelațiile se mișcă față de ea cu viteze enorme, de ordinul a sute de kilometri pe secundă. E ca și cum ai privi un tren în mișcare prin fereastră. Temperatura radiației cosmice de fond cu microunde în direcția constelației este cu 0,1% mai mare, iar în direcția opusă este cu 0,1% mai mică. Aceasta explică mișcarea Soarelui către această constelație în raport cu fundalul relicte.

Ce ne oferă studiul radiației cosmice de fond cu microunde?

Universul timpuriu era rece, foarte rece. De ce a fost universul atât de rece și ce s-a întâmplat când a început expansiunea universului? Se poate presupune că, din cauza big bang-ului, o cantitate imensă de aglomerări au fost eliberate în afara universului, apoi Universul s-a răcit, aproape a înghețat, dar în timp, energia a început să se adune din nou în aglomerări și o anumită reacție. a apărut, care a lansat procesul de expansiune a universului. Atunci de unde provine materia întunecată și interacționează cu radiația cosmică de fond cu microunde? Poate că radiația cosmică de fundal cu microunde este rezultatul descompunerii materiei întunecate, care este mai logică decât radiația reziduală a big bang-ului. Deoarece energia întunecată poate fi antimaterie, iar particulele de materie întunecată, ciocnind cu particule de materie, formează radiații în lumea materială și antimaterială, similare radiațiilor relicte. Astăzi, acesta este cel mai recent și neexplorat domeniu al științei în care se poate obține succesul și se poate întipări în istoria științei și a societății.

radiația CMB

Observațiile astronomice arată că, pe lângă sursele individuale de radiații sub formă de stele și galaxii, există radiații în Univers care nu sunt împărțite în surse individuale - radiația de fond. Se observă în toate domeniile spectrului electromagnetic. Practic, radiația de fond este suma luminiscenței diferitelor surse (galaxii, quasari, gaz intergalactic) atât de îndepărtate încât mijloace moderne observațiile astronomice nu pot încă separa radiația lor totală în componente individuale (rețineți că Calea Lactee, până în secolul al XVII-lea, a fost considerată o bandă continuă de lumină și abia în 1610 Galileo Galilei, după ce a examinat-o printr-un telescop, a descoperit că este formată din vedete individuale).

În 1965, inginerii radio americani A. Penzias și R. Wilson au descoperit radiația de fond în domeniul microundelor (lungime de undă de la 300 μm la 50 cm, frecvență de la 6 10 8 Hz la 10 12 Hz). La aceste frecvente undele electromagnetice Pur și simplu nu există surse care ar putea produce radiații de fundal cu o asemenea luminozitate. Această radiație este foarte omogenă: până la miimi de procent, intensitatea ei este constantă pe tot cerul. Rețineți că câteva procente din „zăpada” care apare pe ecranul televizorului pe un canal neacordat se datorează tocmai radiației de fundal cu microunde.

Proprietatea principală a radiației de fond cu microunde este spectrul său (adică, distribuția intensității în funcție de frecvență sau lungime de undă), prezentată în Fig. 5.1.2. Spectrul acestei radiații se potrivește exact curbei teoretice, binecunoscută fizicii - curba Planck. Acest tip de spectru se numește spectrul corpului negru. Acest spectru este caracteristic unei substanțe încălzite complet opace. Temperatura radiației cu microunde este de aproximativ 3 K (mai precis, 2,728 K). Este imposibil să se obțină un spectru Planck prin adăugarea de radiații din orice sursă. Cea mai sigură confirmare a naturii planckiene a spectrului radiației cosmice de fond cu microunde a fost obținută folosind satelitul american COBE (Cosmic Background Explorer) în 1992.

Ecuația curbei Planck are forma

.

(5.1)

Aici ρ ν este densitatea spectrală a radiației (energia radiației pe unitate de volum și per unitate de interval de frecvență), ν este frecvența, h este constanta lui Planck, c este viteza luminii, k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura radiației.

Radiația cu microunde Universul este altfel numit relicvă. Acest nume se datorează faptului că poartă informații despre condiţiile fizice, domnind în Univers într-un moment în care stelele și galaxiile nu se formaseră încă. Faptul însuși al existenței acestei radiații sugerează că în trecut proprietățile Universului erau semnificativ diferite decât în ​​prezent. Pentru a fundamenta această concluzie, prezentăm următorul lanț logic.

1. Deoarece spectrul radiației cosmice de fond cu microunde este spectrul unui corp complet negru, această radiație este formată dintr-un corp încălzit complet opac.
2. Deoarece această radiație ne vine uniform din toate părțile, suntem înconjurați din toate părțile de un fel de corp opac.
3. Cu toate acestea, Universul - în forma sa modernă - este aproape complet transparent la undele radio în intervalul de microunde (milimetru și centimetru). Prin urmare, materia care emite această radiație este mult mai departe de noi decât orice obiect observabil - galaxii, quasari etc. Amintindu-ne de principiul „cu cât mai departe în spațiu, cu atât mai adânc în timp”, ajungem la concluzia că Universul era complet opac în trecutul profund, când stelele și galaxiile nu se formaseră încă; și din moment ce este opac, înseamnă că este foarte dens. Radiația de fundal cu microunde este o relicvă rămasă din acea epocă îndepărtată.

Rețineți că omogenitatea aproape perfectă a acestei radiații este cel mai bun argument în favoarea principiului cosmologic, în favoarea omogenității Universului la scară largă.

Să prezentăm câteva date cantitative despre radiația cosmică de fond cu microunde. Conform legii lui Wien, temperatura radiației corpului negru cu o lungime de undă la care apare intensitatea maximă λ max este calculată prin formula

Pentru radiația relictă λ max = 0,1 cm Energia medie a unui cuantum al acestei radiații este de aproximativ 1,05·10 -22 J. În prezent, există aproximativ 4·10 8 fotoni relicte în fiecare metru cub. Aceasta este de aproximativ un miliard de ori mai mult decât particulele de materie obișnuită (mai precis, protoni; ne referim, desigur, la densitatea medie).

Modificarea temperaturii radiației cosmice de fond cu microunde în timp

Pentru a fundamenta ipoteza lui Gamow despre starea inițială fierbinte a Universului, vom folosi date despre radiația cosmică de fond cu microunde. Să încercăm să înțelegem care era temperatura lui în trecut. Cu alte cuvinte, să aflăm ce temperatură a radiației cosmice de fond cu microunde ar înregistra un observator dintr-o galaxie cu deplasare spre roșu z. Pentru a face acest lucru, folosim formula (2.1) λ=λ 0 (1+z), care arată dependența lungimii de undă a oricărei radiații (inclusiv fondul de microunde relicte) care călătorește în spațiul intergalactic pe deplasarea spre roșu z și legea lui Wien (5.2) T·λ max =0,29 K cm. Combinând aceste formule, aflăm că la deplasarea spre roșu z temperatura radiației CMB T a fost

T(z)=T0 (1+z),

(5.3)

Unde T 0 =2,728 K este temperatura curentă (adică la z=0). Din această formulă rezultă că anterior temperatura radiației cosmice de fond cu microunde era mai mare decât este acum.

Există, de asemenea, confirmări experimentale directe ale acestui model. Un grup de oameni de știință americani a folosit cel mai mare telescop Keck din lume (din Hawaii) cu o oglindă cu un diametru de 10 metri pentru a obține spectre a doi quasari cu deplasări spre roșu z=1,776 și z=1,973. După cum au descoperit acești oameni de știință, liniile spectrale ale acestor obiecte arată că ele sunt iradiate cu radiații termice cu o temperatură de 7,4 ± 0,8 K și, respectiv, 7,9 ± 1,1 K, ceea ce este în acord excelent cu temperatura așteptată a radiației cosmice de fond cu microunde. din formula (5.3): T(1.776) =7.58 K și T(1.973)=8.11 K. În același timp, apropo, aceste fapte oferă un argument suplimentar în favoarea faptului că radiația de fond cu microunde ne vine din chiar adâncurile Universului.

. Georgy Antonovici Gamov (1904-1968).

Cu cât este mai aproape de Big Bang, cu atât radiația cosmică de fond cu microunde este mai fierbinte. La z~1000 (această deplasare spre roșu corespunde unei epoci la 300 de mii de ani distanță de Big Bang), temperatura sa era T~3000 K și erau aproximativ 4·10 17 fotoni relicte în fiecare metru cub. O radiație atât de puternică ar fi trebuit să ionizeze tot gazul care exista la acea vreme. Asa de, în trecutul îndepărtat al Universului, stelele nu puteau exista și toată materia era plasmă densă, fierbinte, opac..

Această afirmație formează esența teoriei Universului fierbinte, ale cărei baze au fost puse de remarcabilul fizician Georgy Antonovich Gamov, care s-a născut și a educat în țara noastră, a devenit faimos ca fizician aici, dar a fost forțat să emigrează în SUA în anii represiunile lui Stalin. Această teorie este discutată pe scurt în această secțiune.

> Ce este radiația cosmică de fond cu microunde?

Deschidere radiația cosmică de fond cu microunde: sensul conceptului, teoria Big Bang, expansiunea și harta Universului, mișcarea luminii în spațiu, influența materiei întunecate.

radiația CMB- strălucirea Big Bang-ului. Aceasta este una dintre cele mai convingătoare dovezi că acest eveniment a avut loc în Univers. Este explicat cel mai bine de Ned Wright de la Universitatea din California, Los Angeles.

Cât de utilă este radiația CMB?

„Ei bine, majoritatea informatii utile vine la un nivel scăzut. Când am început să studiez astronomia, nu exista o încredere 100% în fiabilitatea teoriei Big Bang. Prin urmare, prezența radiației cosmice de fond cu microunde în această teorie și absența acesteia în teoria concurenței au umplut un mare gol în cunoștințe.

În plus, spectrul radiației cosmice de fond cu microunde seamănă puternic cu negrul. Deoarece acesta este un corp întunecat, atunci putem crede că Universul a trecut fără probleme de la opacitate la transparență. Anizotropia dipolului fundalului cu microunde ajută la determinarea cu exactitate a faptului că ne mișcăm în spațiu. O parte a cerului este mult mai fierbinte, iar cealaltă este mai rece, sugerând temperatura radiației cosmice de fond cu microunde. La calcul, se dovedește că ne mișcăm cu o zecime de procent din viteza luminii - 370 km/s. Deci există mișcarea și mișcarea noastră prin Univers.

Satelitul Planck a făcut posibilă obținerea mai multor informații despre liniile radiației de fond cosmice cu microunde de fond. Avem o diferență de 3 mlikelvin, deci diferența de temperatură spot este de +/- 100 microquins. Prin urmare, vi se prezintă un desen detaliat al unei zone care măsoară 1,5 grade. Este creat de acustica undelor, care se formează ca urmare a perturbărilor de densitate în stadiile incipiente ale dezvoltării Universului. Puteți chiar să urmăriți cât a durat până când Universul devine transparent. Și asta Informații importante, dacă decideți să studiați o astfel de industrie globală.”

Ce ne spun radiația cosmică de fond cu microunde și materia întunecată?

„CMB are un model pe o scară de 0,5 grade, oferindu-ne o linie eficientă de poziție, precum navigația cerească. Măsurați o stea cu un sextant și obțineți o linie a locației dvs. Dar dacă te uiți la același model (acoustic wave setup), vezi că totul este mai local în distribuția galaxiilor. Desigur, vorbim despre obiecte îndepărtate, dar în cosmologie acestea sunt teritorii locale.

Aceste galaxii prezintă același model de undă și îl puteți măsura, compara cu ceea ce s-a observat în trecut și puteți obține o linie de interceptare a poziției. Acest lucru ajută la stabilirea locului nostru în Univers, găsirea și chiar numărarea multor obiecte. Devine, de asemenea, clar că există o energie întunecată pe care nimeni nu o poate înțelege încă, dar știm ce poate face. La urma urmei, tocmai aceasta accelerează expansiunea.” Puteți afla mult mai multe lucruri interesante despre radiația cosmică de fond cu microunde a Universului (detecție, expansiune a Universului, big bang, red shift, anomalii) dacă urmăriți videoclipul.

Polarizarea CMB

Fizicianul Dmitry Gorbunov despre experimentul BICEP2, stadiul inflației și dezvoltarea teoriei gravitației:

anomalii CMB

Astrofizicianul Oleg Verhodanov asupra multipolilor inferiori, influența obiectelor din spațiul apropiat asupra măsurătorilor cosmologice și luarea în considerare a surselor nedescoperite: