Микроволновое реликтовое излучение

Рассмотрим в статье историю открытия микроволнового реликтового излучения, его исследования с помощью спутников и составление современной точной карты излучения.

 

Запуск телескопа BOOMERanG, который вел наблюдения реликтового излучения

Запуск телескопа BOOMERanG, который вел наблюдения реликтового излучения.

 

Содержание

  1. Кратко о микроволновом реликтовом излучении
  2. История открытия микроволнового реликтового излучения
  3. Изучение реликтового излучения с помощью спутников
  4. Составление точной карты излучения спутниками WMAP и Planck

 

Деталь микроволновой карты ранней Вселенной

Деталь микроволновой карты ранней Вселенной.

 

Кратко о микроволновом реликтовом излучении

  • Впервые предсказано: Ральф Альфер и Роберт Герман, 1948 год
  • Открыто: Арно Пензиас и Роберт Вильсон, 1964 год
  • 1989 год: запуск спутника (СОВЕ) для изучения реликтового фона
  • 2001 год: запуск спутника Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)
  • 2009 год: запуск спутника «Планк» (Planck)
  • Как открыто: микроволновой радиотелескоп
  • Температура фонового излучения: 2725 К (-270°С)
  • Вариации реликтового излучения: 1/14 000
  • Фоновое излучение соответствует Вселенной в возрасте: 380 000 лет
  • Возраст Вселенной на сегодня: 13,7 млрд лет
  • Скорость Млечного Пути относительно фона: 627 км/с

 

Кликните по картинке, она откроется в новом окне и ее можно будет увеличить

Микроволновое реликтовое излучение

Микроволновое реликтовое излучение

Карта микроволнового излучения показывает небольшие флуктуации температуры и плотности в ранней Вселенной. Эта карта неба, построенная в галактической системе координат, представлена в проекции Мольвейде и основана на данных, собранных обсерваторией Planck Европейского космического агентства. На ней показаны флуктуации температуры фонового микроволнового излучения на небесной сфере. Теплые области показаны красным, холодные — синим.

 

История открытия микроволнового реликтового излучения

Иногда самые важные научные открытия делают случайно. Открытие космического сверхвысокочастотного фонового излучение из этой категории. Только в начале 1960-х годов стала возможна передача ТВ-сигнала через океан. По современным стандартам технологии были примитивными — тот, кто хотел принять ТВ-сигнал, должен был направить микроволновой приемник в небо. И тут вставал вопрос об интерференции: было ли еще что-то испускавшее микроволновые сигналы, которые мог считать приемник? В 1964 году двое ученых из Лабораторий Белла в Нью-Джерси, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, начали исследовать небо в микроволновом диапазоне, чтобы получить ответ на этот вопрос. Сканируя небо старым прибором, они обнаружили фоновое микроволновое излучение, которое могло интерферировать (взаимодействовать, складываясь, налагаясь друг на друга) с ТВ-сигналом.

 

Когда Пензиас и Вильсон начали сканировать небо, у них возникла проблема. Вне зависимости от того, куда они направляли детектор, он регистрировал слабый микроволновой сигнал, который проявлялся как шипение в наушниках. В подобных ситуациях ученые всегда исходят из того, что что-то не так с электроникой, а потому Пензиас и Вильсон начали утомительную работу по выявлению дефекта. Они даже выселили несколько голубей, которые свили гнездо в приемнике, и, как деликатно выразились ученые, покрыли внутренние поверхности «белой диэлектрической субстанцией». Ничто не помогло шипение не исчезло. В итоге кто-то предложил обратиться в Принстонский университет, там космологи работали над некоей теорией Большого взрыва. Теоретики предполагали, что должно существовать повсеместное фоновое микроволновое излучение эхо происхождения Вселенной.

 

Остановимся на минутку, чтобы разобраться в этом предсказании. Если смотреть на угли в костре, можно заметить, что они со временем меняют цвет. На максимуме горения угли раскаленно-белые, а по мере затухания пламени они начинают краснеть. Поутру вы тоже почувствуете тепло от них, хотя они больше не светятся. Физика говорит нам, что угли испускают излучение, длина волны которого возрастает по мере того, как температура падает. В этом случае мы движемся от видимого света (с длиной волны в тысячи атомных диаметров) к инфракрасному излучению, которое мы можем чувствовать, но не можем видеть и длина волны которого больше, чем у красного света. Теоретики из Принстона увтерждали, что Вселенная, как и угли в нашем примере, родилась очень горячей и по мере охлаждения испускаемое ею излучение становилось все более длинноволновым. Через миллиарды лет, говорили они, это излучение станет микроволновым, то есть длина волны достигнет метра. Это и было излучение, которое зарегистрировали Пензиас и Вильсон: тот самый слабый шум был не чем иным, как криком новорожденного космоса! За свою работу Пензиас и Вильсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1978 года.

 

Земная атмосфера прозрачна для некоторых микроволн (собственно, поэтому телевизионный спутник работает), но другие она поглощает. И чтобы получить полную картину микроволнового реликтового излучения, мы должны выйти за пределы земной атмосферы. С этой целью и была запущена целая серия спутников.

 

Вглядываться в реликтовое фоновое излучение -  все равно, что всматриваться в облака

Вглядываться в реликтовое фоновое излучение -  все равно, что всматриваться в облака. Наши инструменты видят излучение таким, каким оно было в момент рассеяния на свободных электронах до формирования атомов. Электромагнитный спектр лежит в диапазоне от радиоволн (длиной до тысяч километров) до гамма-волн (длиной меньше диаметра атома). Микроволны это высокочастотные радиоволны, длина которых может достигать 1 метра.

 

Более точные инструменты позволяли улучшить карту фонового реликтового излучения. Слева вверху большой наземный микроволновой приемник Пензиаса и Вильсона, который засек излучение. Ниже спутники, запущенные начиная с 1992 года и позволившие составить более детальные карты излучения. Справа показаны карты, построенные с использованием данных, полученных этими инструментами.

 

Поверхность последнего рассеяния (на картинке сверху справа). Микроволны, которые мы видим, пришли к нам из удаленной области космоса — поверхности последнего рассеяния — и с тех пор свободно перемещались.

 

Рассеяние на облаках (на картинке сверху слева). Наблюдать за микроволнами с поверхности последнего рассеяния — все равно, что смотреть на свет, прошедший через облака: мы видим свет, который только что был отражен составляющими облака молекулами воды.

 

Изучение реликтового излучения с помощью спутников

Пионером в этой области был советский аппарат «РЕЛИКТ-1», собравший за 7 месяцев работы на орбите с июля 1983 года уникальные материалы. Следующей стала американская космическая обсерватория COBE (Cosmic Background Explorer), проработавшая с ноября 1989 года ок. 4 лет. Анализ полученных с ее помощью данных показал, что микроволны были характеристикой объекта с температурой 2725 К (-270 °С). Также было понятно, что микроволновое излучение почти наверняка изотропно, то есть одинаково во всех направлениях. Полученные COBE результаты были признаны настолько важными, что два участника проекта, Джон Мэзер и Джордж Смут, получили Нобелевскую премию по физике в 2006 году.

 

Но на фоне общей однородности микроволнового фонового излучения наблюдались и крохотные отклонения от него. Излучение было почти одинаковым по всем направлениям, то есть все же немного анизотропным.

 

Оказалось, что эти малые расхождения чрезвычайно интересны: они содержали в себе информацию о состоянии Вселенной на самых ранних стадиях ее существования. Как мы увидим на в этой статье, в начале своей жизни Вселенная была плазмой, походя тем на Солнце. Электроны и протоны носились повсюду сами по себе, и если электрон сталкивался с протоном и образовывал атом, то следующее столкновение освобождало его. Это «перетягивание каната» продолжалось под действием сил гравитации, собиравших частицы вместе, и излучения, которое разбивало эти группы. Когда возраст Вселенной достиг нескольких сотен тысяч лет, температура упала до значения, при котором атомы уже могли выживать в столкновениях. В тот момент Вселенная стала прозрачной, как объясняется ниже. Произведенное тогда веществом излучение распространялось вовне. Сегодня оно известно нам как фоновое реликтовое излучение. Таким образом, когда мы наблюдаем небольшие разницы температур, мы на самом деле видим концентрации вещества, которые образовывались, когда Вселенной было несколько сотен лет, «рябь у начала времен», как один астроном назвал это. Это те крохотные ростки, которые развились в крупномасштабные структуры, наблюдаемые нами сегодня.

 

Составление точной карты излучения спутниками WMAP и Planck

Следующий спутник для изучения микроволнового излучения был запущен в 2001 году. Он получил название Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) в честь одного из научных руководителей проекта, Дэвида Уилкинсона, умершего через несколько лет после запуска. WMAP не был выведен на орбиту Земли: его отправили в трехмесячное путешествие к особому месту между Землей и Солнцем к точке Лагранжа. В точках Лагранжа гравитационные силы Земли и Солнца уравновешивают друг друга, в результате чего небольшие тела могут оставаться на стационарной орбите. Эти точки являются излюбленным местом для «парковки» спутников, так как излучение Земли не влияет на аппаратуру.

 

WMAP провел более детальные исследования неба в микроволновом излучении. Сравнивая данные, полученные WMAP, с предсказаниями теорий, космологи обрели полную уверенность в верности теорий, ассоциированных с Большим взрывом. Многие космологи уверены: сам тот факт, что эти теории способны описать анизотропию фонового реликтового излучения, является лучшим подтверждением правдоподобности картины Вселенной и ее эволюции. Кроме того, данные WMAP позволили оценить возраст Вселенной в 13,7 млрд лет с точностью до 100 000 лет. Спутник перестал собирать данные в августе 2010 года, а к 2012-му передал все данные, что накопил.

 

В мае 2009 года ЕКА запустило микроволновой зонд следующего поколения. Его назвали Planck в честь известного немецкого ученого начала XX века Макса Планка, одного из основоположников квантовой механики. Между запуском и выводом из эксплуатации в 2013 году эта космическая обсерватория создала самую точную карту микроволнового фонового излучения и его анизотропии.

 

Хотя после запуска наше понимание реликтового излучения и не претерпело больших изменений, наши знания значительно углубились. Например, измеренный зондом возраст Вселенной составил 13,798 +/0,37 млрд лет - намного более точные измерения, чем были доступны до недавнего времени.