Перейти до вмісту

Реліктове випромінювання

Очікує на перевірку
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Реліктове випромінювання
Зображення
Назва англ. cosmic microwave background Редагувати інформацію у Вікіданих
Першовідкривач або винахідник Арно Аллан Пензіас і Роберт Вудро Вільсон Редагувати інформацію у Вікіданих
Дата відкриття (винаходу) 20 травня 1964 Редагувати інформацію у Вікіданих
Місце відкриття Crawford Hilld Редагувати інформацію у Вікіданих
Червоне зміщення 1090,51 ± 0,95[1] Редагувати інформацію у Вікіданих
Температура 2,72548 ± 0,00057 K Редагувати інформацію у Вікіданих
Теоретично обґрунтував Георгій Гамов Редагувати інформацію у Вікіданих
CMNS: Реліктове випромінювання у Вікісховищі Редагувати інформацію у Вікіданих

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 передбачив Георгій Гамов у межах теорії Великого вибуху. Хоча сьогодні багато аспектів первинної теорії Великого вибуху переглянуто, однак аспекти, які стосуються реліктового випромінювання, залишилися без змін. Вважається, що реліктове випромінювання збереглося з початкових часів існування Всесвіту й 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 (рос. реликтовое излучение) запровадив радянський вчений-астрофізик Йосип Самуїлович Шкловський[2].

Природа випромінювання

[ред. | ред. код]

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. 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 500 реліктових фотонів. Максимальна інтенсивність випромінювання припадає на довжину хвилі 0,11 см[3].

Історія дослідження

[ред. | ред. код]
Порівняння роздільної здатності різних місій — COME, WMAP, Планк — для однієї ділянки неба.
  • 1948 — реліктове випромінювання було передбачене Георгієм Гамовим, Ральфом Альфером та Робертом Германом 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[4]. 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 Діккі і Яковом Зельдовичем. 1964 року це підштовхнуло Девіда Тода Вілкінсона та Пітера Ролла, колег Діккі з Принстонського університету, до створення радіометра для виявлення реліктового випромінювання.

  • 1965 року Арно Пензіас та Роберт Вудро Вільсон із Bell Telephone Laboratories в Голмделі (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, Діккі 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 з фізики 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 апарата[5].
  • 1989 — спектрофотометр дальнього інфрачервоного випромінювання (FIRAS), встановлений на супутнику НАСА 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.
  • 2001 — запущено космічний апарат WMAP, що вперше побудував детальну карту температурної анізотропії реліктового випромінювання.
  • 2009 — запущено космічний апарат «Планк» що побудував ще точніші карти та виміряв поляризацію випромінювання. Фінальний датареліз колаборації вийшов в 2018 році.

Реліктове випромінювання ізотропне лише в одній системі координат. Якщо спостерігач рухається щодо цієї системи координат, внаслідок ефекта Доплера 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[3].

Поляризація

[ред. | ред. код]

Космічний мікрохвильовий фон має поляризацію на рівні кількох мікрокельвінів. Існує два типи поляризації: E-режим (або градієнтний режим) та B-режим (або обертальний режим)[6]. Це схоже на електростатику, де електричне поле (E-поле) не має обертання, а магнітне поле (B-поле) не має дивергенції.

E-режими

[ред. | ред. код]

E-режими виникають внаслідок розсіяння Томсона, коли фотони взаємодіють з вільними електронами. Це явище відбувається через різні за температурою і щільністю області Всесвіту, що впливає на напрямок і поляризацію світла.[7]. Вперше ці режими було виявлено у 2002 році за допомогою інтерферометра Degree Angular Scale Interferometer (DASI), який здійснив точні вимірювання мікрохвильового фону і поляризації космічного випромінювання[8][9].

B-режими

[ред. | ред. код]

B-режими зазвичай значно слабші за E-режими. Вони не утворюються від стандартних типів коливань, а виникають через гравітаційні хвилі під час космічної інфляції, яка відбулася незабаром після Великого вибуху[10][11][12]. Проте гравітаційне лінзування сильних E-режимів може також призвести до появи B-режимів[13][14]. Лінзування — це ефект, при якому масивні об'єкти, наприклад, галактики або скупчення галактик, викривляють шлях світла чи мікрохвильового випромінювання, змінюючи його поляризацію. Щоб виявити початковий сигнал B-режимів, важливо врахувати цей ефект лінзування, адже він може змінити характер сильного сигналу E-режимів і ускладнити точне виявлення гравітаційних хвиль.[15].

Первинні гравітаційні хвилі

[ред. | ред. код]

Моделі «повільної інфляції» в ранньому Всесвіті передбачають, що під час інфляційного етапу утворюються початкові гравітаційні хвилі. Ці хвилі впливають на поляризацію космічного мікрохвильового фону, утворюючи характерну картинку B-режимів. Виявлення цієї картинки може підтвердити теорію інфляції та дозволить оцінити силу гравітаційних хвиль, що, в свою чергу, допоможе перевірити або спростувати різні моделі інфляції. Заяви про те, що цю було виявлено за допомогою приладу BICEP2, пізніше були спростовані, оскільки нові результати експерименту Планк показали, що це був ефект космічного пилу, а не сигнал від гравітаційних хвиль[16][17].

Гравітаційне лінзування

[ред. | ред. код]

Другий тип B-режимів було виявлено у 2013 році за допомогою Південного полярного телескопа в поєднанні з даними космічного телескопа Гершель[18]. У жовтні 2014 року були опубліковані результати вимірювань поляризації B-режимів на частоті 150 ГГц, отримані експериментом POLARBEAR. На відміну від BICEP2, POLARBEAR досліджує меншу ділянку неба та є менш чутливим до впливу космічного пилу. Команда експерименту повідомила, що поляризація B-режимів, яку вдалося виміряти, має космологічне походження (а не є наслідком лише пилу), з ймовірністю 97,2%[19].

Майбутній розвиток

[ред. | ред. код]

Якщо Всесвіт продовжить розширюватися і не переживе Великого стискання, Великого розриву чи іншої подібної події, космічний мікрохвильовий фон з часом поступово зміщуватиметься до червоного спектра (через ефект червоного зсуву) і врешті-решт стане занадто слабким, щоб його можна було спостерігати. Замість цього в майбутньому ми побачимо інші типи фонових випромінювань. Спочатку це буде світло від зір, а згодом, можливо, з'являться нові типи фонових випромінювань, що виникатимуть через процеси, які відбуватимуться в дуже віддаленому майбутньому Всесвіту. До таких процесів належать, наприклад, розпад протонів, випаровування чорних дір і розпад позитронію — матерії, що складається з електронів і позитронів[20][21].

В культурі

[ред. | ред. код]
  • У телевізійному серіалі Зоряна брама: Всесвіт (2009–2011) стародавній космічний корабель під назвою «Destiny» був побудований для дослідження патернів у космічному мікрохвильовому фоні (CMBR). Це фон, який, згідно з сюжетом, є свідомим повідомленням, що залишилося з самого початку часу, коли утворився всесвіт[22].
  • У романі Wheelers (2000) Іана Стюарта та Джека Коена, CMBR пояснюється як зашифровані повідомлення стародавньої цивілізації. Завдяки цим повідомленням, «блімпи» на Юпітері (великі повітряні судна) мають суспільство, яке набагато старше за вік самого всесвіту[23].
  • У романі Проблема трьох тіл (2008) китайського письменника Лю Цисіна, зонд від інопланетної цивілізації пошкоджує прилади, що спостерігають за CMBR, щоб обманути одного з персонажів. В результаті цього він вірить, що ця цивілізація має здатність маніпулювати космічним мікрохвильовим фоном[24].
  • У 2017 році на швейцарській банкноті номіналом 20 франків вказано кілька астрономічних об'єктів та їх відстані. Серед них згадується і космічний мікрохвильовий фон, який знаходиться на відстані 430 · 10¹⁵ світлових секунд від Землі[25].
  • У серії ВандаВіжен (2021) з Marvel, загадковий телевізійний сигнал був виявлений у космічному мікрохвильовому фоні. Цей момент створює інтригу, оскільки фон зазвичай вважається «залишковим», тобто стародавнім випромінюванням, що залишилося з часів Великого вибуху[26].

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0067-0049/180/2/225/pdf
  2. Шкловский И. С. (1987). Вселенная, жизнь, разум. М.: Наука. Архів оригіналу за 18 квітня 2008. Процитовано 12 травня 2008.
  3. 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.
  4. Physics Today, 1950, No. 8, стр. 76
  5. Юрий Зайцев (16 листопада 2006). Упущенные возможности (рос.). МИА «Россия сегодня». Архів оригіналу за 7 грудня 2014. Процитовано 14 липня 2021.
  6. Trippe, Sascha (1 лютого 2014). Polarization and Polarimetry: a Review. Journal of Korean Astronomical Society. Т. 47. с. 15—39. doi:10.5303/JKAS.2014.47.1.15. ISSN 1225-4614. Процитовано 3 лютого 2025.
  7. Trippe, Sascha (2014). Polarization and Polarimetry: A Review. Journal of the Korean Astronomical Society. 47 (1): 15—39. arXiv:1401.1911. Bibcode:2014JKAS...47...15T. doi:10.5303/JKAS.2014.47.1.15. ISSN 1225-4614.
  8. Kovac, J. M.; Leitch, E. M.; Pryke, C.; Carlstrom, J. E.; Halverson, N. W.; Holzapfel, W. L. (December 2002). Detection of polarization in the cosmic microwave background using DASI. Nature (англ.). 420 (6917): 772—787. arXiv:astro-ph/0209478. Bibcode:2002Natur.420..772K. doi:10.1038/nature01269. ISSN 0028-0836. PMID 12490941.
  9. Ade, P. A. R.; Aikin, R. W.; Barkats, D.; Benton, S. J.; Bischoff, C. A.; Bock, J. J.; Brevik, J. A.; Buder, I.; Bullock, E.; Dowell, C. D.; Duband, L.; Filippini, J. P.; Fliescher, S.; Golwala, S. R.; Halpern, M. (19 червня 2014). Detection of B -Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2. Physical Review Letters (англ.). 112 (24): 241101. arXiv:1403.3985. Bibcode:2014PhRvL.112x1101B. doi:10.1103/PhysRevLett.112.241101. ISSN 0031-9007. PMID 24996078.
  10. Seljak, U. (June 1997). Measuring Polarization in the Cosmic Microwave Background. Astrophysical Journal. 482 (1): 6—16. arXiv:astro-ph/9608131. Bibcode:1997ApJ...482....6S. doi:10.1086/304123. S2CID 16825580.
  11. Seljak, U.; Zaldarriaga M. (17 березня 1997). Signature of Gravity Waves in the Polarization of the Microwave Background. Phys. Rev. Lett. 78 (11): 2054—2057. arXiv:astro-ph/9609169. Bibcode:1997PhRvL..78.2054S. doi:10.1103/PhysRevLett.78.2054. S2CID 30795875.
  12. Kamionkowski, M.; Kosowsky A. & Stebbins A. (1997). A Probe of Primordial Gravity Waves and Vorticity. Phys. Rev. Lett. 78 (11): 2058—2061. arXiv:astro-ph/9609132. Bibcode:1997PhRvL..78.2058K. doi:10.1103/PhysRevLett.78.2058. S2CID 17330375.
  13. Zaldarriaga, M.; Seljak U. (15 липня 1998). Gravitational lensing effect on cosmic microwave background polarization. Physical Review D. 2. 58 (2): 023003. arXiv:astro-ph/9803150. Bibcode:1998PhRvD..58b3003Z. doi:10.1103/PhysRevD.58.023003. S2CID 119512504.
  14. Lewis, A.; Challinor, A. (2006). Weak gravitational lensing of the CMB. Physics Reports. 429 (1): 1—65. arXiv:astro-ph/0601594. Bibcode:2006PhR...429....1L. doi:10.1016/j.physrep.2006.03.002. S2CID 1731891.
  15. Hanson, D. та ін. (2013). Detection of B-mode polarization in the Cosmic Microwave Background with data from the South Pole Telescope. Physical Review Letters. 111 (14): 141301. arXiv:1307.5830. Bibcode:2013PhRvL.111n1301H. doi:10.1103/PhysRevLett.111.141301. PMID 24138230. S2CID 9437637.
  16. Planck Collaboration Team (9 лютого 2016). Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes. Astronomy & Astrophysics. 586 (133): A133. arXiv:1409.5738. Bibcode:2016A&A...586A.133P. doi:10.1051/0004-6361/201425034. S2CID 9857299.
  17. Kamionkowski, Marc; Kovetz, Ely D. (19 вересня 2016). The Quest for B Modes from Inflationary Gravitational Waves. Annual Review of Astronomy and Astrophysics (англ.). 54 (1): 227—269. arXiv:1510.06042. Bibcode:2016ARA&A..54..227K. doi:10.1146/annurev-astro-081915-023433. ISSN 0066-4146.
  18. Samuel Reich, Eugenie (2013). Polarization detected in Big Bang's echo. Nature. doi:10.1038/nature.2013.13441. S2CID 211730550.
  19. POLARBEAR project offers clues about origin of universe's cosmic growth spurt. Christian Science Monitor. ISSN 0882-7729. Процитовано 3 лютого 2025.
  20. Krauss, Lawrence M.; Scherrer, Robert J. (2007). The return of a static universe and the end of cosmology. General Relativity and Gravitation. 39 (10): 1545—1550. arXiv:0704.0221. Bibcode:2007GReGr..39.1545K. doi:10.1007/s10714-007-0472-9. S2CID 123442313.
  21. Adams, Fred C.; Laughlin, Gregory (1997). A dying universe: The long-term fate and evolution of astrophysical objects. Reviews of Modern Physics. 69 (2): 337—372. arXiv:astro-ph/9701131. Bibcode:1997RvMP...69..337A. doi:10.1103/RevModPhys.69.337. S2CID 12173790.
  22. Stargate Universe - Robert Carlyle talks about background radiation and Destiny's mission (Video). YouTube. 10 листопада 2010. Процитовано 28 лютого 2023.
  23. Internet Archive, Ian (2001). Wheelers. New York : Warner Books. ISBN 978-0-446-61008-7.
  24. Liu, Cixin (23 вересня 2014). The Three-Body Problem: "The Universe Flickers". Tor.com (амер.). Процитовано 23 січня 2023.
  25. Astronomy in your wallet - NCCR PlanetS. nccr-planets.ch (амер.). Процитовано 23 січня 2023.
  26. WandaVision's 'cosmic microwave background radiation' is real, actually. SYFY Official Site (амер.). 3 лютого 2021. Процитовано 23 січня 2023.

Посилання

[ред. | ред. код]