Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun keşfi

Önsöz

SPK RADYASYON, uzay Elektromanyetik radyasyon Gökyüzünün her tarafından Dünya'ya yaklaşık olarak aynı yoğunlukta gelen ve yaklaşık 3 K sıcaklıkta (mutlak Kelvin ölçeğinde 3 derece, –270°'ye karşılık gelen) tamamen siyah bir cismin radyasyonunun spektrum karakteristiğine sahip olan C). Bu sıcaklıkta radyasyonun büyük kısmı santimetre ve milimetre aralığındaki radyo dalgalarından gelir. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının enerji yoğunluğu 0,25 eV/cm3'tür. Deneysel radyo gökbilimcileri bu radyasyona radyasyon adını vermeyi tercih ediyorlar. “kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu” (M. f. i.) kozmik mikrodalga arka planı, CMB). Teorik astrofizikçiler buna sıklıkla diyorlar "kalıntı radyasyon"(terim Rus astrofizikçi I.S. Shklovsky tarafından önerildi), çünkü bugün genel olarak kabul edilen sıcak Evren teorisi çerçevesinde, bu radyasyon, maddesi neredeyse homojen ve çok olduğu zaman, dünyamızın genişlemesinin erken aşamasında ortaya çıktı. sıcak. Aşağıda bu radyasyona “kalıntı radyasyon” adını vereceğiz. 1965 yılında kozmik mikrodalga arka plan ışınımının keşfi büyük bir değer kozmoloji için; yirminci yüzyılın doğa bilimlerinin en önemli başarılarından biri haline geldi ve tabii ki galaksilerin spektrumlarındaki kırmızıya kaymanın keşfinden sonra kozmoloji için en önemli başarı oldu. Zayıf kalıntı radyasyon bize Evrenimizin varlığının ilk anları hakkında, tüm Evrenin sıcak olduğu ve içinde hiçbir gezegenin, yıldızın, galaksinin bulunmadığı o uzak dönem hakkında bilgi sağlar. Son yıllarda yer tabanlı, stratosferik ve uzay gözlemevleri kullanılarak gerçekleştirilen bu radyasyonun ayrıntılı ölçümleri, Evrenin doğuşunun gizeminin üzerindeki perdeyi kaldırıyor.

SPK'nın keşfi

1960 yılında, Echo balon uydusundan yansıyan radyo sinyallerini almak için Crawford Hill, Holmdel'de (New Jersey, ABD) bir anten inşa edildi. 1963'e gelindiğinde uyduyla çalışmak için bu antene artık ihtiyaç kalmamıştı ve Bell Telefon laboratuvarından radyo fizikçileri Robert Woodrow Wilson (d. 1936) ve Arno Elan Penzias (d. 1933) onu radyo astronomik gözlemler için kullanmaya karar verdiler. Anten 20 metrelik bir boynuzdu. Bu radyo teleskop, en son alıcı cihazla birlikte o zamanlar uzaydan gelen radyo dalgalarını ölçen dünyanın en hassas cihazıydı.

Öncelikle Galaksimizin yıldızlararası ortamının 7,35 cm dalga boyunda radyo emisyonunun ölçülmesi planlandı, Arno Penzias ve Robert Wilson sıcak Evren teorisini bilmiyorlardı ve kozmik mikrodalgayı arama niyetinde değillerdi. arkaplan radyasyonu. Galaksinin radyo emisyonunu doğru bir şekilde ölçmek için radyasyonun neden olduğu tüm olası girişimleri hesaba katmak gerekiyordu. Dünya atmosferi ve Dünya yüzeyinin yanı sıra anten, elektrik devreleri ve alıcılarda ortaya çıkan parazitler.

Alıcı sistemin ön testleri beklenenden biraz daha fazla gürültü gösterdi, ancak bunun amplifikatör devrelerindeki biraz fazla gürültüden kaynaklandığı makul görünüyordu. Bu sorunlardan kurtulmak için Penzias ve Wilson "soğuk yük" olarak bilinen bir cihaz kullandılar: Antenden gelen sinyal, mutlak sıfırın yaklaşık dört derece üzerindeki bir sıcaklıkta sıvı helyumla soğutulan yapay bir kaynaktan gelen sinyalle karşılaştırıldı. (4K). Her iki durumda da amplifikasyon devrelerindeki elektriksel gürültünün aynı olması gerekir ve bu nedenle karşılaştırma yoluyla elde edilen fark, antenden gelen sinyal gücünü verir. Bu sinyal yalnızca anten cihazından, dünya atmosferinden ve antenin görüş alanı içindeki astronomik radyo dalgaları kaynağından gelen katkıları içerir. Penzias ve Wilson, anten cihazının çok az elektriksel gürültü üretmesini bekliyorlardı. Ancak bu varsayımı test etmek için gözlemlerine, Galaksi'den gelen radyo gürültüsünün ihmal edilebilir düzeyde olması gereken 7,35 cm'lik nispeten kısa dalga boylarında başladılar. Doğal olarak, bu dalga boyunda ve dünya atmosferinden bir miktar radyo gürültüsü bekleniyordu, ancak bu gürültünün yöne bağlı karakteristik bir bağımlılığı olmalıdır: antenin baktığı yöndeki atmosferin kalınlığıyla orantılı olmalıdır: biraz daha az zirve yönünde, biraz daha ufuk yönünde. Karakteristik yön bağımlılığı ile atmosferik terimin çıkarılmasından sonra, antenden önemli bir sinyalin kalmayacağı ve bunun, anten cihazı tarafından üretilen elektriksel gürültünün ihmal edilebilir olduğunu doğrulayacağı bekleniyordu. Bundan sonra, Samanyolu'nun radyasyonunun oldukça fark edilebilir olduğu yaklaşık 21 cm gibi uzun dalga boylarında Galaksinin kendisini incelemeye başlamak mümkün olacak.

Mikrodalga gürültüsü

Şaşırtıcı bir şekilde, Penzias ve Wilson 1964 baharında 7,35 cm dalga boyunda oldukça dikkat çekici miktarda yönden bağımsız mikrodalga gürültüsü aldıklarını keşfettiler. Bu "statik arka planın" günün saatine göre değişmediğini buldular ve daha sonra yılın zamanına bağlı olmadığını keşfettiler. Sonuç olarak bu, Galaksiden gelen radyasyon olamaz çünkü bu durumda yoğunluğu, antenin Samanyolu düzlemi boyunca mı yoksa karşıdan mı baktığına bağlı olarak değişecektir. Üstelik eğer bu bizim Galaksimizden gelen radyasyon olsaydı, Andromeda'daki büyük sarmal galaksi M 31'in de birçok açıdan bizimkine benzer şekilde 7,35 cm dalga boyunda güçlü bir şekilde yayması gerekirdi, ancak bu gözlemlenmedi. Gözlemlenen mikrodalga gürültüsünün yönünde herhangi bir değişiklik olmaması, bu radyo dalgalarının, eğer gerçekten varlarsa, Samanyolu'ndan değil, Evrenin çok daha büyük bir hacminden geldiklerini güçlü bir şekilde gösterdi. Araştırmacılar, antenin kendisinin beklenenden daha fazla elektriksel gürültü üretip üretmediğini görmek için tekrar test yapmaları gerektiği konusunda açıktı. Özellikle anten boynuzuna bir çift güvercinin yuva yaptığı biliniyordu. Yakalandılar, Whippany'deki Bell bölgesine postalandılar, serbest bırakıldılar, birkaç gün sonra antendeki yerlerinde yeniden keşfedildiler, yeniden yakalandılar ve sonunda daha sert yöntemlerle bastırıldılar. Ancak mülkün kiralanması sırasında güvercinler antenin içini Penzias'ın "beyaz dielektrik madde" dediği bir maddeyle kapladılar. oda sıcaklığı elektriksel gürültünün kaynağı olabilir. 1965'in başında anten boynuzu söküldü ve tüm kir temizlendi, ancak bu, diğer tüm hileler gibi, gözlemlenen gürültü seviyesinde çok küçük bir azalma sağladı.

Tüm girişim kaynakları dikkatlice analiz edilip hesaba katıldığında Penzias ve Wilson, radyasyonun uzaydan ve her yönden aynı yoğunlukta geldiği sonucuna varmak zorunda kaldılar. Uzayın sanki 3,5 kelvin sıcaklığa ısıtılıyormuş gibi yayıldığı ortaya çıktı (daha doğrusu, elde edilen doğruluk, "uzay sıcaklığının" 2,5 ila 4,5 kelvin arasında olduğu sonucuna varmamızı sağladı). Bunun çok incelikli bir deneysel sonuç olduğuna dikkat edilmelidir: örneğin, anten borusunun önüne bir dondurma çubuğu yerleştirilirse, radyo aralığında, gökyüzünün karşılık gelen kısmından 22 milyon kat daha parlak bir şekilde parlayacaktır. Gözlemlerinin beklenmedik sonucunu göz önünde bulunduran Penzias ve Wilson'ın bunu yayınlamak için aceleleri yoktu. Ancak olaylar onların iradesi dışında gelişti. Öyle oldu ki Penzias, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden arkadaşı Bernard Burke'ü tamamen farklı bir konu için aradı. Bundan kısa bir süre önce Burke, Carnegie Enstitüsü'ndeki meslektaşı Ken Turner'dan kendisinin de Johns Hopkins Üniversitesi'nde Robert Dicke'nin yönetimi altında çalışan Princeton teorisyeni Phil Peebles tarafından yapılan bir konuşmayı dinlemişti. Bu konuşmada Peebles, şu anda yaklaşık 10 K eşdeğer sıcaklığa sahip olan erken Evren'den kalma arka planda radyo gürültüsünün olması gerektiğini savundu. Penzias, Dicke'yi aradı ve iki araştırma grubu buluştu. Robert Dicke ve meslektaşları F. Peebles, P. Roll ve D. Wilkinson, A. Penzias ve R. Wilson'ın sıcak Evrenin kozmik mikrodalga arka plan ışınımını keşfettiklerini açıkça anladılar. Bilim insanları, prestijli Astrophysical Journal dergisinde aynı anda iki mektubu yayınlamaya karar verdi. 1965 yazında, her iki çalışma da yayınlandı: Penzias ve Wilson tarafından kozmik mikrodalga arka plan ışınımının keşfi üzerine ve Dicke ve meslektaşları tarafından sıcak Evren teorisi kullanılarak yapılan açıklamalarla birlikte. Görünüşe göre keşiflerinin kozmolojik yorumuna tam olarak ikna olmayan Penzias ve Wilson, notlarına mütevazı bir başlık verdiler: 4080 MHz'de aşırı anten sıcaklığının ölçülmesi. Basitçe "etkili zirve gürültü sıcaklığı ölçümlerinin... beklenenden 3,5 K daha yüksek bir değer verdiğini" duyurdular ve "gözlenen aşırı gürültü sıcaklığına ilişkin olası bir açıklama Dicke, Peebles tarafından yapılmıştır" demek dışında kozmolojiden herhangi bir şekilde bahsetmekten kaçındılar. , Roll ve Wilkinson derginin aynı sayısındaki ek mektupta."

Daha sonraki yıllarda onlarca santimetreden milimetrenin küsuratına kadar çeşitli dalga boylarında çok sayıda ölçüm yapıldı. Gözlemler, kozmik mikrodalga arka plan ışınımının spektrumunun, belirli bir sıcaklıktaki ışınım için olması gerektiği gibi, Planck formülüne karşılık geldiğini göstermiştir. Bu sıcaklığın yaklaşık 3 K olduğu doğrulandı. Evrenin genişlemenin başlangıcında sıcak olduğunu kanıtlayan dikkate değer bir keşif yapıldı. Bu, 1965'te Penzias ve Wilson'ın sıcak Evren'i keşfetmesiyle sonuçlanan karmaşık olaylar ağıdır. Evrenin genişlemesinin başlangıcında aşırı yüksek sıcaklık gerçeğinin ortaya konması Başlangıç ​​noktası sadece astrofiziksel gizemlerin değil aynı zamanda maddenin yapısının sırlarının da açığa çıkmasına yol açan en önemli araştırma. En hassas ölçümler kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu uzaydan gerçekleştirildi: bu, Sovyet Prognoz-9 uydusu (1983–1984) üzerindeki Relikt deneyi ve Amerikan uydusu üzerindeki DMR (Diferansiyel Mikrodalga Radyometresi) deneyidir. COBE (Kozmik Arka Plan Kaşifi, Kasım 1989–1993) Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun sıcaklığını en doğru şekilde belirlemeyi mümkün kılan ikincisiydi: 2,725 ± 0,002 K.

Sevgili ziyaretçiler!

Çalışmanız devre dışı bırakıldı JavaScript. Lütfen tarayıcınızda komut dosyalarını etkinleştirin; sitenin tüm işlevselliği size açılacaktır!

2006 yılında John Mather ve George Smoot, kara cisim spektrumunu ve kozmik mikrodalga arka plan ışınımının anizotropisini keşfettikleri için Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Bu sonuçlar, NASA'nın 1988 yılında fırlattığı COBE uydusu kullanılarak yapılan ölçümlere dayanılarak elde edilmiştir. J. Mather ve J. Smoot'un sonuçları, Evrenin kökeninin Büyük Patlama sonucu oluştuğunu doğrulamıştır. Kozmik arka plan radyasyonunun sıcaklığındaki son derece küçük fark ΔT/T ~ 10-4, galaksilerin ve yıldızların oluşum mekanizmasının kanıtıdır.

J. Mather (d. 1946)

J. Smoot (d. 1945)

Pirinç. 52. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının kara cisim spektrumu.

SPK radyasyonu(veya kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu) 1965 yılında A. Penzias ve R. Wilson tarafından keşfedildi. Evrenin evriminin erken bir aşamasında madde plazma halindeydi. Böyle bir ortam elektromanyetik radyasyona karşı opaktır; fotonların elektronlar ve protonlar tarafından yoğun bir şekilde saçılması meydana gelir. Evren 3000 K'ye soğuduğunda elektronlar ve protonlar nötr hidrojen atomları halinde birleşti ve ortam fotonlara karşı şeffaf hale geldi. O dönemde Evren'in yaşı 300.000 yıldı, dolayısıyla kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu, Evren'in bu çağdaki durumu hakkında bilgi sağlıyor. O zamanlar Evren neredeyse homojendi. Evrenin homojen olmaması, kozmik mikrodalga arka plan ışınımının sıcaklık homojensizliği tarafından belirlenir. Bu heterojenlik ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5'tir. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının homojen olmayışları, Evrenin homojen olmamalarının tanıklarıdır: ilk yıldızlar, galaksiler, galaksi kümeleri. Evrenin genişlemesiyle birlikte CMB'nin dalga boyu Δλ/λ = ΔR/R arttı ve şu anda CMB'nin dalga boyu radyo dalgası aralığında, CMB'nin sıcaklığı T = 2,7 K'dır.

Pirinç. 53. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının anizotropisi. Daha koyu renk kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun spektrumunun daha yüksek sıcaklığa sahip bölümleri gösterilmektedir.

J. Mather: "Başlangıçta Büyük Patlama vardı−artık büyük bir güvenle söylüyoruz. 1974 yılında Ulusal Havacılık ve Uzay Ajansı'na (NASA) bir proje olarak önerilen ve 1989'da fırlatılan COBE uydusu, bunun lehine çok güçlü kanıtlar sağlamıştır: kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu (CMBR veya kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu), spektrum sıcaklıkla neredeyse mükemmel siyah cisim
2,725 ±0,001 K ve bu radyasyon izotropiktir (tüm yönlerde aynıdır), 7° veya daha fazla açısal ölçeklerde bağıl standart sapması milyonda 10'u aşmaz. Bu radyasyon, Evrenin evriminin son derece sıcak ve yoğun bir erken aşamasının izi olarak yorumlanıyor. Böylesine sıcak ve yoğun bir aşamada, fotonların yaratılışı ve yok edilmesi, ayrıca aralarında ve diğer tüm madde ve enerji formlarıyla dengenin kurulması, Evrenin genişlemesinin karakteristik zaman ölçeğiyle karşılaştırıldığında çok hızlı bir şekilde gerçekleşecektir. . Böyle bir durum anında kara cisim radyasyonu üretecektir. Genişleyen bir Evren, bu spektrumun kara cisim doğasını korumalıdır; dolayısıyla ideal siyah cisim spektrumundan herhangi bir önemli sapmanın ölçülmesi, ya Büyük Patlama fikrini geçersiz kılacak ya da dengenin hızla kurulmasından sonra CMB'ye bir miktar enerji eklendiğini gösterecektir. (örneğin bazı birincil parçacıkların bozunmasından). Bu radyasyonun bu kadar yüksek derecede izotropik olması, onun Büyük Patlama'dan geldiğinin temel kanıtıdır."

Pirinç. 54. Robert Wilson ve Arno Penzias, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun tespit edildiği antende.

J. Smoot: “Sıcak Evren teorisine göre, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu, 13,7 milyar yıl önce modern Evrenin genişlemesinin başlangıcına yakın bir zamanda, Evrenin evriminin en erken yüksek sıcaklık aşamalarında oluşan artık radyasyondur. . SPK'nın kendisi Evrenin dinamiklerini ve geometrisini ölçmek için güçlü bir araç olarak kullanılabilir. CMB, Penzias ve Wilson tarafından Laboratuvarda keşfedildi. 1964 yılında Bella
Yaklaşık 3,2 K termodinamik sıcaklığa sahip kalıcı izotropik radyasyon keşfettiler. Aynı zamanda Princeton'daki fizikçiler (Dick, Peebles, Wilkinson ve Roll), sıcak evren teorisinin öngördüğü kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunu ölçmek için bir deney geliştiriyorlardı. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının Penzias ve Wilson tarafından tesadüfen keşfedilmesi, kozmolojide yeni bir çağ başlattı ve kozmolojinin mit ve spekülasyondan tam teşekküllü bir bilimsel alana dönüşmesinin başlangıcına işaret etti.
Kozmik mikrodalga arka plan sıcaklığının anizotropisinin keşfi, Evren ve onun evreni hakkındaki anlayışımızda devrim yarattı. modern araştırma Kozmolojideki devrime devam edin. CMB sıcaklık dalgalanmalarının açısal güç spektrumunun platolar, akustik tepe noktaları ve azalan yüksek frekanslı kuyruk ile çizilmesi, uzayın geometrisinin düz (kritik yoğunluğa karşılık gelir), karanlık enerji ve karanlık olduğu standart bir kozmolojik modelin kurulmasına yol açtı. madde hakimdir ve sadece çok az sıradan madde vardır. Başarılı bir şekilde doğrulanan bu modele göre, Evrenin gözlemlenen yapısı, enflasyon çağının çok erken dönemlerinde üretilen kuantum dalgalanmalarını güçlendiren yerçekimsel dengesizlik tarafından oluşturulmuştur. Mevcut ve gelecekteki gözlemler bu modeli test edecek ve önemli kozmolojik parametreleri olağanüstü bir hassasiyet ve önemle tanımlayacaktır."

CMB radyasyonu, her yönde aynı olan ve ~ 2,7 K sıcaklıktaki siyah bir cismin spektrum karakteristiğine sahip olan arka plan mikrodalga radyasyonudur.

Bu radyasyondan şu sorunun cevabını bulabileceğine inanılıyor: Nereden geldi? Aslında kozmik mikrodalga arka plan ışınımı, yoğun sıcak plazmanın genişlemesinden sonra ortaya çıkmaya başladığında “Evrenin inşasından” geriye kalan şeydir. Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun ne olduğunu anlamayı kolaylaştırmak için onu kalıntılarla karşılaştıralım. insan aktivitesi. Mesela bir insan bir şey icat ediyor, başkaları onu satın alıyor, kullanıyor ve atıklarını atıyor. Yani çöp (insan yaşamının sonucu), kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun bir benzeridir. Çöpten her şeyi öğrenebilirsiniz - bir kişinin belirli bir süre içinde nerede olduğu, ne yediği, ne giydiği ve hatta ne hakkında konuştuğu. Ayrıca kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu. Bilim adamları, özelliklerine dayanarak büyük patlama anının bir resmini oluşturmaya çalışıyorlar ve bu, şu soruya cevap verebilir: Evren nasıl ortaya çıktı? Ancak yine de enerjinin korunumu yasaları evrenin kökeni hakkında bazı anlaşmazlıklar yaratmaktadır çünkü hiçbir şey hiçbir yerden gelmez ve hiçbir yere gitmez. Evrenimizin dinamikleri geçişler, özelliklerdeki ve hallerdeki değişikliklerdir. Bu gezegenimizde bile gözlemlenebilir. Örneğin, top Yıldırım su parçacıkları bulutunda mı görünüyor? Nasıl? Bu nasıl olabilir? Hiç kimse belirli yasaların kökenini açıklayamaz. Tıpkı kozmik mikrodalga arka plan ışınımının keşif tarihinde olduğu gibi, bu yasaların keşfedildiği anlar da vardır.

Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun incelenmesiyle ilgili tarihsel gerçekler

SPK'dan ilk kez Georgiy Antonovich Gamow (George Gamow) büyük patlama teorisini açıklamaya çalışırken bahsetti. Sürekli genişleyen bir evrenin uzayını bir miktar radyasyon kalıntısının doldurduğunu varsaydı. 1941'de, Yılancı kümesindeki yıldızlardan birinin soğurulmasını incelerken Andrew McKellar, 2,7 K sıcaklığa karşılık gelen ışığın spektral soğurma çizgilerini fark etti. 1948'de Georgi Gamow, Ralph Alfert ve Robert Herman, yıldızın sıcaklığını belirledi. 5 K'de kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu. Daha sonra Georgy Gamow, bilinen 3 K'den daha düşük bir sıcaklık önerdi. Ancak bu, bunun yalnızca yüzeysel bir çalışmasıydı, o zamanlar kimse bilmiyordu. bilinen gerçek. 60'ların başında Robert Dicke ve Yakov Zeldovich, radyasyon yoğunluğu zamana bağlı olmayan dalgaları kaydederek Gamow ile aynı sonuçları elde ettiler. Bilim adamlarının meraklı zihinleri, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunu daha doğru bir şekilde kaydedebilmek için özel bir radyo teleskopu yaratmak zorundaydı. 80'li yılların başında uzay endüstrisinin gelişmesiyle birlikte, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu bir uzay aracından daha dikkatli bir şekilde incelenmeye başlandı. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının izotropi özelliğini belirlemek mümkündü (tüm yönlerde aynı özellikler, örneğin 10 saniyede kuzeye 5 adım ve 10 saniyede güneye 5 adım). Günümüzde kalıntı çalışmasının özellikleri ve oluşum tarihi üzerine çalışmalar devam etmektedir.

Kalıntı radyasyonun hangi özellikleri vardır?

COBE uydusundaki FIRAS cihazı kullanılarak elde edilen verilerden elde edilen CMB spektrumu

Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının spektrumu 2,75 Kelvin'dir ve bu, bu sıcaklığa soğutulmuş kurumunkine benzer. Böyle bir madde, onu ne kadar etkilerseniz etkileyin, üzerine gelen radyasyonu (ışık) her zaman emer. En azından manyetik bir bobine yapıştırın, en azından atom bombası atın, hatta bir spot ışığıyla parlatın. Böyle bir vücut aynı zamanda çok az radyasyon yayar. Ancak bu yalnızca hiçbir şeyin mutlak olmadığını kanıtlar. Her zaman sonsuz uzunlukta bir süre için ideal bir yasayı çıkarabilir, bir şeyin belirli bir özelliğinin maksimumunu elde edebilirsiniz, ancak küçük bir miktar atalet her zaman kalacaktır.

Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun incelenmesiyle ilgili ilginç gerçekler

Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun maksimum frekansı 1,9 mm dalgaya eşit olan 160,4 GHz'de kaydedildi. Ve bu radyasyonun yoğunluğu cm3 başına 400-500 fotondur. CMB radyasyonu evrende genel olarak gözlemlenebilen en eski, en eski radyasyondur. Her parçacığın Dünya'ya ulaşması 400.000 yıl sürdü. Kilometreler değil, yıllar! Uydu gözlemlerine ve matematiksel hesaplamalara göre, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu hareketsiz görünüyor ve tüm galaksiler ve takımyıldızlar ona göre saniyede yüzlerce kilometre gibi muazzam hızlarda hareket ediyor. Pencereden hareket eden bir treni izlemek gibi. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının sıcaklığı takımyıldız yönünde %0,1 daha yüksek, ters yönde ise %0,1 daha düşüktür. Bu, kalıntı arka plana göre Güneş'in bu takımyıldıza doğru hareketini açıklar.

Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının incelenmesi bize ne sağlıyor?

İlk Evren soğuktu, çok soğuktu. Evren neden bu kadar soğuktu ve evrenin genişlemesi başladığında ne oldu? Büyük patlama nedeniyle evrenin dışına büyük miktarda enerji yığınlarının salındığı, ardından Evrenin soğuduğu, neredeyse donduğu, ancak zamanla enerjinin yeniden kümeler halinde toplanmaya başladığı ve belirli bir reaksiyonun meydana geldiği varsayılabilir. evrenin genişleme sürecini başlatan ortaya çıktı. Peki karanlık madde nereden geliyor ve kozmik mikrodalga arka plan radyasyonuyla etkileşime giriyor mu? Belki de kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu, karanlık maddenin ayrışmasının sonucudur ki bu, büyük patlamanın artık radyasyonundan daha mantıklıdır. Karanlık enerji antimadde olabileceğinden ve karanlık madde parçacıkları, madde parçacıklarıyla çarpışarak, malzeme ve antimadde dünyasında, kalıntı radyasyona benzer şekilde radyasyon oluşturur. Bugün bu, insanın başarıya ulaşabileceği, bilim ve toplum tarihine damga vurabileceği en yeni, keşfedilmemiş bilim alanıdır.

SPK radyasyonu

Astronomik gözlemler, yıldızlar ve galaksiler şeklindeki bireysel radyasyon kaynaklarına ek olarak, Evrende bireysel kaynaklara bölünmeyen radyasyonun (arka plan radyasyonu) bulunduğunu göstermektedir. Elektromanyetik spektrumun tüm aralıklarında gözlenir. Temel olarak, arka plan radyasyonu, çok uzaktaki çeşitli kaynakların (galaksiler, kuasarlar, galaksiler arası gaz) lüminesansının toplamıdır. modern araçlar astronomik gözlemler henüz toplam radyasyonu bireysel bileşenlere ayıramıyor (17. yüzyıla kadar Samanyolu'nun sürekli bir ışık şeridi olarak kabul edildiğini ve ancak 1610'da Galileo Galilei'nin onu bir teleskopla inceledikten sonra onun aşağıdakilerden oluştuğunu keşfettiğini unutmayın: bireysel yıldızlar).

1965 yılında Amerikalı radyo mühendisleri A. Penzias ve R. Wilson, mikrodalga aralığında arka plan radyasyonunu keşfettiler (dalga boyu 300 μm'den 50 cm'ye, frekans 6 10 8 Hz'den 10 12 Hz'e kadar). Bu frekanslarda elektromanyetik dalgalar Bu kadar parlaklıkta arka plan radyasyonu üretebilecek hiçbir kaynak yoktur. Bu radyasyon çok homojendir: yoğunluğu yüzde binde bire kadar gökyüzü boyunca sabittir. Ayarlanmamış bir kanalda TV ekranında görünen “kar”ın yüzde birkaçının mikrodalga arka plan radyasyonundan kaynaklandığını unutmayın.

Mikrodalga arka plan radyasyonunun ana özelliği, Şekil 2'de gösterilen spektrumudur (yani frekans veya dalga boyunun bir fonksiyonu olarak yoğunluk dağılımı). 5.1.2. Bu radyasyonun spektrumu, fizikçiler tarafından iyi bilinen Planck eğrisine tam olarak uyar. Bu tür spektruma siyah cisim spektrumu denir. Bu spektrum tamamen opak, ısıtılmış bir maddenin karakteristiğidir. Mikrodalga radyasyonunun sıcaklığı yaklaşık 3 K'dir (daha kesin olarak 2,728 K). Herhangi bir kaynaktan gelen radyasyonu ekleyerek bir Planck spektrumu elde etmek imkansızdır. Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun spektrumunun Planck doğasının en güvenilir doğrulaması, 1992 yılında Amerikan uydusu COBE (Kozmik Arka Plan Kaşifi) kullanılarak elde edildi.

Planck eğrisi denklemi şu şekildedir:

.

(5.1)

Burada ρ ν radyasyonun spektral yoğunluğudur (birim hacim ve birim frekans aralığı başına radyasyon enerjisi), ν frekanstır, h Planck sabitidir, c ışık hızıdır, k Boltzmann sabitidir, T radyasyon sıcaklığıdır.

Mikrodalga radyasyonu Aksi halde evrene kalıntı denir. Bu isim, hakkında bilgi taşımasından kaynaklanmaktadır. fiziksel koşullar Yıldızların ve galaksilerin henüz oluşmadığı bir zamanda Evrende hüküm sürüyordu. Bu radyasyonun varlığı gerçeği, geçmişte Evrenin özelliklerinin günümüzden önemli ölçüde farklı olduğunu göstermektedir. Bu sonucu doğrulamak için aşağıdaki mantıksal zinciri sunuyoruz.

1. Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının spektrumu tamamen siyah bir cismin spektrumu olduğundan, bu ışınım tamamen opak, ısıtılmış bir cisim tarafından oluşturulur.
2. Bu radyasyon bize her taraftan eşit olarak geldiğinden, her tarafımız bir tür opak cisimle çevrilidir.
3. Ancak Evren - modern haliyle - mikrodalga (milimetre ve santimetre) aralığındaki radyo dalgalarına karşı neredeyse tamamen şeffaftır. Bu nedenle, bu radyasyonu yayan madde, gözlemlenebilir nesnelerden (galaksiler, kuasarlar vb.) çok daha uzaktadır. "Uzayda ne kadar uzaksa zamanda o kadar derin" ilkesini hatırlayarak şu sonuca varıyoruz: Evren, yıldızların ve galaksilerin henüz oluşmadığı derin geçmişte tamamen şeffaf değildi; ve opak olduğundan çok yoğun olduğu anlamına gelir. Mikrodalga arka plan radyasyonu o uzak çağdan kalma bir kalıntıdır.

Dikkat Bu radyasyonun neredeyse mükemmel homojenliği, kozmolojik prensip lehine, Evrenin büyük ölçeklerde homojenliği lehine en iyi argümandır.

Kozmik mikrodalga arka plan ışınımına ilişkin bazı niceliksel veriler sunalım. Wien yasasına göre, maksimum λmax yoğunluğunun meydana geldiği dalga boyuna sahip kara cisim radyasyonunun sıcaklığı formülle hesaplanır.

Kalıntı radyasyon için λ max =0,1 cm Bu radyasyonun bir kuantumunun ortalama enerjisi yaklaşık 1,05·10 -22 J'dir. Şu anda her metreküpte yaklaşık 4·108 kalıntı foton bulunmaktadır. Bu, sıradan madde parçacıklarından (daha doğrusu protonlardan; elbette ortalama yoğunluktan bahsediyoruz) yaklaşık bir milyar kat daha fazladır.

Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının sıcaklığında zamanla meydana gelen değişim

Gamow'un Evrenin başlangıçtaki sıcak durumu hakkındaki varsayımını doğrulamak için kozmik mikrodalga arka plan ışınımına ilişkin verileri kullanacağız. Geçmişte ateşinin ne olduğunu anlamaya çalışalım. Başka bir deyişle, kırmızıya kayması z olan bir galaksideki bir gözlemcinin kozmik mikrodalga arka plan ışınımının hangi sıcaklığını kaydedeceğini bulalım. Bunu yapmak için, galaksiler arası uzayda seyahat eden herhangi bir (kalıntı mikrodalga arka plan dahil) radyasyonun dalga boyunun kırmızıya kayma z'ye bağımlılığını gösteren (2.1) λ=λ 0 (1+z) formülünü ve Wien yasasını (5.2) kullanırız. T·λ maks =0,29 K cm. Bu formülleri birleştirerek, kırmızıya kayma z'de CMB radyasyonunun T sıcaklığının şöyle olduğunu bulduk:

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

(5.3)

Burada T 0 =2,728 K mevcut sıcaklıktır (yani z=0'da). Bu formülden, daha önce kozmik mikrodalga arka plan ışınımının sıcaklığının şimdi olduğundan daha yüksek olduğu sonucu çıkmaktadır.

Bu modelin doğrudan deneysel doğrulamaları da vardır. Bir grup Amerikalı bilim insanı, z=1.776 ve z=1.973 kırmızıya kaymalı iki kuasarın spektrumunu elde etmek için 10 metre çapında aynaya sahip dünyanın en büyük Keck teleskopunu (Hawaii'de) kullandı. Bu bilim adamlarının bulduğu gibi, bu nesnelerin spektral çizgileri, sırasıyla 7,4 ± 0,8 K ve 7,9 ± 1,1 K sıcaklıktaki termal radyasyonla ışınlandıklarını göstermektedir; bu, beklenen kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun sıcaklığıyla mükemmel bir uyum içindedir. formül (5.3)'ten: T(1.776) =7.58 K ve T(1.973)=8.11 K. Bu arada, bu gerçekler aynı zamanda mikrodalga arka plan radyasyonunun bize geldiği gerçeğini destekleyen ek bir argüman sağlar. Evrenin derinlikleri.

. Georgi Antonoviç Gamov (1904-1968).

Büyük Patlama'ya ne kadar yakınsa, kozmik mikrodalga arka plan ışınımı da o kadar sıcak olur. z~1000'de (bu kırmızıya kayma, Büyük Patlama'dan 300 bin yıl uzaktaki bir döneme karşılık gelir), sıcaklığı T~3000 K idi ve her metreküpte yaklaşık 4.1017 kalıntı foton vardı. Bu kadar güçlü radyasyonun o dönemde var olan tüm gazı iyonize etmesi gerekirdi. Bu yüzden, Evrenin uzak geçmişinde yıldızlar var olamazdı ve tüm maddeler yoğun, sıcak ve opak plazmaydı.

Temelleri ülkemizde doğup eğitim gören, burada bir fizikçi olarak ünlenen ancak zorlanan seçkin fizikçi Georgy Antonovich Gamov tarafından atılan sıcak Evren teorisinin özünü oluşturan bu ifadedir. yıllarda ABD'ye göç Stalin'in baskıları. Bu teori bu bölümde kısaca tartışılmaktadır.

> Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu nedir?

Açılış kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu: Kavramın anlamı, Big Bang teorisi, Evrenin genişlemesi ve haritası, ışığın uzaydaki hareketi, karanlık maddenin etkisi.

SPK radyasyonu- Büyük Patlama'nın ardından oluşan parlaklık. Bu, bu olayın Evrende gerçekleştiğine dair en ikna edici kanıtlardan biridir. Bunu en iyi Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi'nden Ned Wright açıklamıştır.

CMB radyasyonu ne kadar faydalıdır?

"Peki çoğu yardımcı bilgi düşük düzeyde gelir. Astronomi okumaya ilk başladığımda Büyük Patlama teorisinin güvenilirliğine %100 güven yoktu. Bu nedenle, kozmik mikrodalga arka plan ışınımının bu teoride bulunması ve rakip teoride bulunmaması, bilgideki büyük bir boşluğu doldurmuştur.

Ek olarak, kozmik mikrodalga arka plan ışınımının spektrumu büyük ölçüde siyaha benzemektedir. Bu karanlık bir cisim olduğundan, Evrenin opaklıktan şeffaflığa sorunsuz bir şekilde geçtiğine inanabiliriz. Mikrodalga arka planının dipol anizotropisi, uzayda hareket ettiğimiz gerçeğini doğru bir şekilde belirlemeye yardımcı olur. Gökyüzünün bir tarafı çok daha sıcak, diğer tarafı ise daha soğuk; bu da kozmik mikrodalga arka plan ışınımının sıcaklığına işaret ediyor. Hesapladığımızda, ışık hızının yüzde onda biri kadar bir hızla (370 km/s) hareket ettiğimiz ortaya çıkıyor. Yani Evrendeki hareketimiz ve hareketimiz var.

Planck uydusu, arka plandaki kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun çizgileri hakkında daha fazla bilgi elde etmeyi mümkün kıldı. 3 milikelvinlik bir farkımız var, dolayısıyla nokta sıcaklığındaki fark +/- 100 mikrokindir. Bu nedenle karşınıza 1,5 derecelik bir alanın detaylı çizimi sunulur. Evrenin gelişiminin erken aşamalarında yoğunluk bozuklukları nedeniyle oluşan dalga akustiği tarafından yaratılmıştır. Evrenin şeffaf hale gelmesinin ne kadar sürdüğünü bile takip edebilirsiniz. Ve bu önemli bilgi, eğer böylesine küresel bir endüstriyi incelemeye karar verirseniz.

Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu ve karanlık madde bize ne anlatıyor?

"CMB'nin 0,5 derecelik bir ölçeği var ve bize göksel navigasyon gibi etkili bir konum çizgisi veriyor. Bir yıldızı sekstantla ölçersiniz ve bulunduğunuz yerin bir çizgisini alırsınız. Ancak aynı modele (akustik dalga düzeni) baktığınızda galaksilerin dağılımında her şeyin daha yerel olduğunu görürsünüz. Elbette uzak nesnelerden bahsediyoruz ama kozmolojide bunlar yerel bölgeler.

Bu galaksiler aynı dalga benzeri modeli sergiliyor ve bunu ölçebilir, geçmişte gözlemlenenlerle karşılaştırabilir ve bir konum-kesişme çizgisi elde edebilirsiniz. Bu, Evrendeki yerimizi belirlememize, birçok nesneyi bulmamıza ve hatta saymamıza yardımcı olur. Ayrıca henüz kimsenin anlayamadığı ama neler yapabileceğini bildiğimiz bir karanlık enerjinin olduğu da ortaya çıkıyor. Sonuçta genişlemeyi hızlandıran da bu.” Videoyu izlerseniz, Evrenin kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu (tespit, Evrenin genişlemesi, büyük patlama, kırmızıya kayma, anormallikler) hakkında çok daha ilginç şeyler öğrenebilirsiniz.

SPK kutuplaşması

Fizikçi Dmitry Gorbunov, BICEP2 deneyi, enflasyonun aşaması ve yerçekimi teorisinin gelişimi hakkında:

SPK anormallikleri

Astrofizikçi Oleg Verkhodanov, düşük çoklu kutuplar, yakın uzay nesnelerinin kozmolojik ölçümler üzerindeki etkisi ve keşfedilmemiş kaynakları dikkate alarak: