Реликтовое излучение Вселенной

Реликтовое излучение 

Астрономические наблюдения показывают, что, помимо отдельных источников излучения в виде звезд и галактик, во Вселенной есть излучение, неразделяемое  на отдельные источники — фоновое  излучение. Оно наблюдается во всех диапазонах электромагнитного спектра. В основном фоновое излучение  есть сумма свечения различных источников (галактик, квазаров, межгалактического  газа), настолько далеких, что современные  средства астрономических наблюдений пока не могут разделить их суммарное  излучение на отдельные слагаемые (вспомним, что и Млечный Путь вплоть до XVII века считался сплошной полосой  света, и только в 1610 году Галилео Галилей, рассмотрев его в телескоп, обнаружил, что он состоит из отдельных звезд).

В 1965 г. американские радиоинженеры  А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили фоновое излучение в микроволновом диапазоне (длина волны от 300 мкм до 50 см, частота от 6·10⁸ Гц до 10¹² Гц). На этих частотах электромагнитных волн просто нет источников, которые могли бы дать фоновое излучение такой яркости. Это излучение очень однородно: с точностью до тысячных долей процента его интенсивность постоянна по всему небу. Заметим, что несколько процентов того “снега”, который возникает на экране телевизора на ненастроенном канале, обусловлены как раз микроволновым фоновым излучением.

Главным свойством микроволнового фонового излучения является его  спектр (т.е. распределение интенсивности  в зависимости от частоты или  длины волны), показанный на рис. 5.1.2. Спектр этого излучения в точности ложится на теоретическую кривую, хорошо известную физике — кривую Планка. Спектр такого типа носит название спектра излучения абсолютно черного тела. Такой спектр характерен для полностью непрозрачного нагретого вещества. Температура микроволнового излучения составляет около 3 К (точнее, 2.728 К). Сложением излучений каких-либо источников невозможно добиться того, чтобы получился планковский спектр. Наиболее надежное подтверждение планковского характера спектра реликтового излучения было получено с помощью американского спутника COBE (Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона) в 1992 году.

Рис. 5.1.2. Спектр реликтового излучения (по данным космического аппарата COBE). По вертикальной оси отложена интенсивность излучения в единицах Ян/стерад (1 Янский = 10-26 Дж/м2). По горизонтальной оси - частота, деленная на скорость света. Сплошной линией показан спектр излучения абсолютно черного тела при температуре T=2.7277 K. Вертикальные отрезки показывают ошибки измерения интенсивности излучения с борта COBE, увеличенные в 400 раз.

Уравнение планковской кривой имеет вид

.

(5.1)

 
Здесь ρ_ν — спектральная плотность излучения (энергия излучения, приходящаяся на единичный объем и на единичный интервал частот), ν — частота, h — постоянная Планка, c — скорость света, k — постоянная Больцмана, T — температура излучения.

Микроволновое излучение  Вселенной иначе называется реликтовым. Такое название связано с тем, что оно несет в себе информацию о физических условиях, царивших во Вселенной тогда, когда еще не успели образоваться звезды и галактики. Сам факт существования этого  излучения говорит о том, что  в прошлом свойства Вселенной  были существенно иными, чем в  настоящее время. Для обоснования  этого вывода приведем следующую  логическую цепочку.

1. Поскольку спектр реликтового излучения является спектром абсолютно черного тела, это излучение формируется полностью непрозрачным нагретым телом.
2. Поскольку это излучение равномерно приходит к нам со всех сторон, мы со всех сторон окружены каким-то непрозрачным телом.
3. Однако Вселенная — в современном ее виде — почти полностью прозрачна для радиоволн в микроволновом (миллиметровом и сантиметровом) диапазоне. Стало быть, вещество, испускающее это излучение, отстоит от нас намного дальше, чем любые наблюдаемые объекты — галактики, квазары и т.д. Вспоминая принцип “чем дальше в пространстве — тем глубже во времени”, мы приходим к выводу, что Вселенная была полностью непрозрачной в глубоком прошлом, когда еще не образовались звезды и галактики; а раз непрозрачной, значит, очень плотной. Микроволновое фоновое излучение является реликтом, оставшимся от той далекой эпохи.

Отметим, что почти идеальная однородность этого излучения — лучший довод в пользу космологического принципа, в пользу однородности Вселенной на больших масштабах.

Приведем некоторые количественные данные о реликтовом излучении. По закону Вина, температура чернотельного  излучения с длиной волны, на которую  приходится максимум интенсивности  λ_max, вычисляется по формуле

Tλmax=0.29 K·см.

(5.2)

 
Для реликтового излучения λ_max=0.1 см. Средняя энергия кванта этого излучения примерно 1.05·10^-22 Дж. В настоящее время в каждом кубическом метре находится примерно 4·10⁸ реликтовых фотонов. Это примерно в миллиард раз больше, чем частиц обычного вещества (точнее, протонов; имеется в виду, конечно, средняя плотность).

Изменение температуры  реликтового излучения со временем

Для обоснования предположения  Гамова об изначально горячем состоянии  Вселенной мы привлечем данные о  реликтовом излучении. Попытаемся понять, какой была его температура в  прошлом. Другими словами, выясним, какую температуру реликтового  излучения зафиксировал бы наблюдатель  в галактике с красным смещением z. Для этого используем формулу (2.1) λ=λ₀(1+z), показывающую зависимость длины волны любого (в том числе, реликтового) излучения, путешествующего в межгалактическом пространстве, от красного смещения z, и закон Вина (5.2) T·λ_max=0.29 K·см. Комбинируя эти формулы, мы находим, что при красном смещении z температура реликтового излучения T была

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

(5.3)

 
где T₀=2.728 K - температура в настоящее время (т.е. при z=0). Из этой формулы следует, что раньше температура реликтового излучения была выше, чем сейчас.

Существуют и прямые экспериментальные  подтверждения этой закономерности. Группа американских ученых использовала крупнейший в мире телескоп Кек (на Гавайских островах) с зеркалом диаметром 10 метров для получения спектров двух квазаров с красными смещениями z=1.776 и z=1.973. Как выяснили эти ученые, спектральные линии этих объектов показывают, что они облучаются тепловым излучением с температурой 7.4±0.8 К и 7.9±1.1 К соответственно, что находится в прекрасном согласии с температурой реликтового излучения, ожидаемой из формулы (5.3): T(1.776)=7.58 К и T(1.973)=8.11 К. Одновременно, кстати, эти факты дают дополнительный аргумент в пользу того, что микроволновое фоновое излучение приходит к нам из самых глубин Вселенной.

. Георгий Антонович Гамов  (1904-1968).

Чем ближе к Большому Взрыву, тем горячее реликтовое излучение. При z~1000 (такое красное смещение соответствует эпохе, отстоящей  на 300 тыс. лет от Большого Взрыва) его  температура была T~3000 K, причем в каждом кубическом метре находилось около 4·10¹⁷ реликтовых фотонов. Столь мощное излучение должно было ионизовать весь существовавший тогда газ. Итак, в далеком прошлом Вселенной не могло существовать звезд, и все вещество представляло собой плотную горячую непрозрачную плазму.

Именно это утверждение  составляет суть теории горячей Вселенной, основы которой заложил выдающийся физик Георгий Антонович Гамов, который родился и получил образование в нашей стране, здесь же стал знаменит как физик, но был вынужден эмигрировать в США в годы сталинских репрессий. Эта теория кратко рассмотрена в настоящем параграфе.

Вещество и  излучение в горячей расширяющейся  Вселенной

Зная, что в прошлом вещество Вселенной было плотным и горячим, мы придем к выводу о необходимости существования реликтового излучения.

Согласно теории Гамова, развитой им вместе со своими учениками  Р.Альфером и Р.Херманом, в начале существования Вселенной вещество было нагрето до очень высокой  температуры и представляло собой  очень плотный ионизированный газ (плазму). Существование заметного  количества нейтральных атомов тогда  было невозможно, поскольку энергия  их теплового движения была так велика, что при взаимных столкновениях  они неминуемо распадались бы на свои составные части — ядра и электроны.

Помимо ядер и электронов, в горячей и плотной плазме должно присутствовать электромагнитное излучение. Связано это с тем, что при пролете друг мимо друга  электрически заряженные частицы (электроны  и ионы) испытывают, в соответствии с законом Кулона, сильное ускорение. Но из электродинамики следует, что  ускоренно движущаяся заряженная частица  излучает электромагнитные волны. Это  излучение носит название свободно-свободного, поскольку оно возникает при  взаимодействии свободных (не связанных  в атомы) частиц.

С другой стороны, электромагнитное излучение в плазме должно поглощаться. Действительно, представим себе взаимодействие свободного электрона с электромагнитной волной. В поле этой волны электрон испытывает ускорение. Это означает, что часть энергии электромагнитных волн переходит в кинетическую энергию  электронов. Правда, двигаясь ускоренно, электрон тотчас излучает другую электромагнитную волну, поле которой добавляется  к полю исходной волны. Со стороны  это будет выглядеть так, что  фотон (квант энергии электромагнитного  поля) сильно меняет направление своего распространения. В честь открывшего это явление физика оно называется рассеянием Томсона. Следствием рассеяния  является тот факт, что плазма на ранних стадиях расширения Вселенной  является непрозрачной: фотон, испущенный в какой-либо точке А в направлении  точки В, с подавляющей вероятностью не достигнет точки В (рис. 5.3.1).

Рис. 5.3.1. Схема строения наблюдаемой области мироздания согласно теории горячей Вселенной. Показаны траектории лучей света до рекомбинации (в непрозрачной Вселенной) и после рекомбинации. Заметим, что этот рисунок обладает важным недостатком: он не отражает тот факт, что площадь горизонта равняется нулю. Для того, чтобы отразить этот факт, нам пришлось бы изображать этот рисунок не на плоскости, а на кривой поверхности.

Таким образом, в горячей  плазме есть два конкурирующих явления: излучение и поглощение света. Преобладал ли в расширяющейся Вселенной  один из них или они были взаимно  уравновешены? Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить о важнейшем  понятии термодинамики — тепловом (термодинамическом) равновесии.

Представим себе теплоизолированный сосуд, наполненный каким-либо веществом (газом, плазмой, излучением). Пусть  в некоторый начальный момент времени частицы этого вещества обладают произвольным распределением по энергии, их концентрация и средняя  энергия сильно меняются от точки  к точке. Основное утверждение термодинамики  заключается в том, что, каково бы ни было начальное состояние вещества в сосуде, через какое-то время (называемое временем релаксации) его содержимое придет к состоянию теплового  равновесия, характеризуемого тем, что  распределение частиц газа или плазмы по энергии подчиняется закону Максвелла-Больцмана, спектр излучения (зависимость энергии от частоты) — закону Планка, плотность и температура в каждой точке одинакова, все направления движения атомов, электронов, ионов и фотонов равновероятны. Если в сосуде есть два различных рода веществ, их температуры в тепловом равновесии одинаковы. Если в сосуде установилось тепловое равновесие, оно будет существовать там вечно, если только оно не будет нарушено каким-либо внешним воздействием. Поэтому в термодинамически равновесной плазме процессы испускания и поглощения фотонов должны полностью уравновешивать друг друга.

Применимо ли понятие теплового  равновесия к плазме, заполнявшей  расширяющуюся Вселенную в начале ее существования? Ответ на этот вопрос положителен, если время релаксации много меньше возраста Вселенной, поскольку  только в этом случае плазма успеет достигнуть равновесного состояния. Расчеты  показывают, что в ранней Вселенной  это неравенство выполнялось  с огромным запасом. Отсюда следует  вывод, что в космологической  плазме должно было существовать излучение  с планковским спектром (спектром абсолютно черного тела). Впервые  это было установлено Гамовым  и его учениками.

С течением времени смесь  плазмы и излучения расширяется  и остывает. Примерно через 300 тыс. лет после начала расширения вещество остывает до температуры T~3000 K, при которой тепловое движение и удары высокоэнергичных фотонов уже не в состоянии препятствовать образованию атомов. Тогда плазма превращается в обыкновенный нейтральный газ (это явление называется рекомбинацией). Вещество, состоящее из нейтральных атомов, почти прозрачно для излучения, поэтому фотоны, испущенные в момент рекомбинации, движутся по прямым линиям (cм. рис. 5.3.1) и свободно доходят до земного наблюдателя. По принципу “чем дальше — тем моложе” момент рекомбинации соответствует границе области Вселенной, прорзрачной для излучения (эта граница еще называется поверхностью последнего рассеяния). Красное смещение поверхности последнего рассеяния z~1000.