Реліктове випромінювання

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Реліктове випромінювання (від лат. relictum — залишок; також космічне мікрохвильове випромінювання від англ. cosmic microwave background radiation) — космічне електромагнітне випромінювання з високим ступенем ізотропності та спектром, характерним для абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 кельвіна.

Існування реліктового випромінювання теоретично було передбачено в рамках теорії Великого вибуху. Хоча сьогодні багато аспектів первинної теорії Великого вибуху було переглянуто, проте основи, що стосуються передбачення температури реліктового випромінювання залишилися без змін. Вважається, що реліктове випромінювання збереглося з початкових часів існування Всесвіту і рівномірно його заповнює. Експериментально його існування було підтверджено 1965 року. Поряд із космологічним червоним зсувом, реліктове випромінювання розглядається як один з головних доказів теорії Великого вибуху.

Термін реліктове випромінювання запропонував радянський вчений-астрофізик Йосип Самуїлович Шкловський[1].

Природа випромінювання[ред. | ред. код]

Анізотропія реліктового випромінювання за даними супутника WMAP.

Згідно з теорією Великого вибуху, початковий Всесвіт являв собою гарячу плазму, яка складалась з фотонів, електронів та баріонів. Завдяки комптонівському і томсонівському розсіюванню, фотони постійно взаємодіяли з іншими частинками плазми, зокрема шляхом пружних зіткнень та обміну енергією з ними. Таким чином, випромінювання перебувало у стані теплової рівноваги з речовиною, а його спектр відповідав спектру абсолютно чорного тіла.

Із розширенням Всесвіту космологічне червоне зміщення викликало охолодження плазми і на певному етапі для електронів стало енергетично вигідніше, з'єднавшись з протонами — ядрами водню та альфа-частинками — ядрами гелію, сформувати атоми. Цей процес називається рекомбінацією. Він відбувся за температури плазми 3000 К (через 400 000 років з початку охолодження плазми). З того часу фотони почали вільно пересуватися в просторі, майже не взаємодіючи з нейтральними атомами. Горизонт видимості, або сфера спостереження, яка відповідає цьому моменту, називається поверхнею останнього розсіювання[ru]. Це — найвіддаленіший об'єкт, який можна спостерігати в електромагнітному спектрі. У результаті подальшого охолодження за рахунок розширення Всесвіту, температура реліктового випромінювання знизилась і зараз становить близько 2,725 К.

У кожному кубічному сантиметрі простору міститься близько реліктових 500 фотонів. Максимальна інтенсивність випромінювання припадає на довжину хвилі 0,11 см[2].

Історія дослідження[ред. | ред. код]

Порівняння роздільної здатності різних місій — COME, WMAP, Планк — для однієї ділянки неба.

Реліктове випромінювання було передбачене Георгієм Гамовим, Ральфом Альфером та Робертом Германом[en] в 1948 році на основі створеної ними першої теорії гарячого Всесвіту. Більше того, Альфер та Герман змогли встановити, що температура реліктового випромінювання має складати величину 5 К, а Гамов дав передбачення в 3 К[3]. Хоча деякі оцінки температури простору існували і до того, проте вони мали суттєві недоліки. По-перше, це були вимірювання лише ефективної температури простору, припущення про те, що спектр випромінювання підпорядковується закону Планка не висувалося. По-друге, вони залежали від розташування Землі та Сонячної системи на краю Чумацького Шляху, і не висувалося припущення, що випромінювання однорідне та ізотропне. Вони б дали зовсім інші результати, якби Земля була розташована в іншому місці Всесвіту.

Результати Гамова не мали широкого обговорення в науковій періодиці. І тому їх було знову перевідкрито на початку 60-х років Робертом Дікке[en] і Яковом Зельдовичем. 1964 року це підштовхнуло Девіда Тода Вілкінсона та Пітера Ролла, колег Дікке з Принстонського університету, до створення радіометра для виявлення реліктового випромінювання.

1965 року Арно Пензіас та Роберт Вудро Вільсон із Bell Telephone Laboratories в Голмделі[en] (штат Нью-Джерсі) побудували радіометр, який вони хотіли застосувати для експериментів у галузі радіоастрономії та супутникових комунікацій. Під час калібрування приладу виявилося, що антена має надлишкову температуру 3,5 К (що відігравала роль «теплового шуму»), яку вони не могли пояснити. Отримавши дзвінок із Голмдела, Дікке влучно відзначив: «Ми зірвали куш, хлопці!». Зустріч між групами з Принстона та Голмдела визначила, що надлишкова температура антени була зумовлена в першу чергу реліктовим випромінюванням. 1978 року Пензіас та Вільсон отримали Нобелівську премію за це відкриття.

1983 року було здійснено перший експеримент РЕЛІКТ-1[en] з вимірювання анізотропії реліктового випромінювання (з одного боку вона обумовлена рухом Сонця відносно нього, а з іншого — фундаментальною неоднорідністю Всесвіту в далекому минулому) з космічного апарату[4].

Спектрофотометр дальнього інфрачервоного випромінювання (FIRAS), встановлений на супутнику NASA Cosmic Background Explorer (COBE), виконав вимірювання спектру реліктового випромінювання. Ці величини стали найточнішими даними вимірювань спектру реліктового випромінювання, які підтвердили що воно має спектр абсолютно чорного тіла. Найдетальніші карти реліктового випромінювання побудовано за результатами роботи космічних апаратів WMAP та «Планк».

Реліктове випромінювання ізотропне лише в одній системі координат. Якщо спостерігач рухається щодо цієї системи координат, внаслідок ефекта Допплера спостерігається анізотропія. За результатами спостережень з'ясовано, що наша Галактика рухається щодо зазначеної системи координат зі швидкістю близько 600 км/с у напрямку сузір'я Лева[2].

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Шкловский И. С. (1987). Вселенная, жизнь, разум.. М.: Наука. 
  2. а б Реліктове випромінювання // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 399. — ISBN 966-613-263-X.
  3. Physics Today, 1950, No. 8, стр. 76
  4. http://www.rian.ru/analytics/20061116/55698972-print.html

Посилання[ред. | ред. код]