Реликтовое излучение

Реликтовое излучение

Космология

Изучаемые объекты и процессы

  • Вселенная
  • Наблюдаемая Вселенная
  • Крупномасштабная структура Вселенной
    • Сверхскопления галактик
    • Галактические нити
    • Войды
    • Пузырь Хаббла
  • Реликтовое излучение
  • Скрытая масса
    • Тёмная материя
    • Тёмная энергия

История Вселенной

  • Основные этапы развития Вселенной
  • Возраст Вселенной
  • Формирование галактик

Наблюдаемые процессы

  • Расширение Вселенной
    • Космологическое красное смещение
    • Закон Хаббла
    • Ускоренное расширение Вселенной
  • Нуклеосинтез

Теоретические изыскания

  • Гравитационная неустойчивость
  • Космологический принцип
  • Космологические модели
    • Космологическая сингулярность
    • Большой взрыв
    • Модель де Ситтера
    • Модель горячей Вселенной
    • Космическая инфляция
    • Вселенная Фридмана
      • Уравнение Фридмана
      • Сопутствующее расстояние
      • Модель Лямбда-CDM
      • Космологическое уравнение состояния
      • Критическая плотность

Рели́ктовое излуче́ние (лат. relictum — остаток), космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Обладает высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Георгием Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Термин реликтовое излучение, который обычно используется в русскоязычной литературе, ввёл в употребление советский астрофизик И. С. Шкловский.

Природа излучения

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией — имели место рассеяние Томсона и Комптона. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией). Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 380 000 лет. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли. Эти фотоны (в связи с уже идущей рекомбинацией) избежали рассеяния и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться Вселенной. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля и сейчас составляет всего 2,725 К.

История исследования

Первое случайное обнаружение

В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами CN в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил, что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения.

Предсказание

В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Предыстория

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента».

Открытие

Рупорно-параболическая антенна в Холмдейле, 1962 год.

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов.

В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Исследование неоднородностей

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев.

Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE (ошибки измерений не видны в масштабе рисунка)

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA COBE, выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства. Предполагалось, что наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев с возможным продлением полёта на 1 год, и что обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.

Свойства

Карта (панорама) анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. По данным спутника WMAPВосстановленная карта (панорама) анизотропии реликтового излучения с исключённым изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображением дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. По данным спутника WMAP

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм (смотрите спектры излучения на рисунке справа). Оно изотропно с точностью до 0,01 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6,706 мК), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчёта, связанной с реликтовым излучением. Красное смещение для реликтового излучения немного превосходит 1000.

Плотность энергии реликтового излучения составляет 0,25 эВ/см3 (4⋅10−14 Дж/м3) или 400-500 фотонов/см3.

Дипольная анизотропия

Ещё в 1969 году было обнаружено, что в реликтовом излучении заметно выделена дипольная составляющая: в направлении созвездия Льва температура этого излучения на 0,1 % выше, чем в среднем, а в противоположном направлении — на столько же ниже. Этот факт интерпретируется как следствие эффекта Доплера, возникающего при движении Солнца относительно реликтового фона со скоростью примерно 370 км/с в сторону созвездия Льва. Поскольку Солнце обращается вокруг центра Галактики со скоростью ~220-230 км/с в сторону созвездия Лебедя, и также совершает движение относительно центра Местной группы галактик (группы галактик, включающей Млечный Путь), это означает, что Местная группа как целое движется относительно реликтового излучения со скоростью примерно (по современным данным) 627 ± 22 {\displaystyle 627\pm 22} км/с в направлении точки с галактическими координатами l = 276 ± 3 ∘ {\displaystyle l=276\pm 3^{\circ }} , b = 30 ± 3 ∘ {\displaystyle b=30\pm 3^{\circ }} (эта точка располагается в созвездии Гидры).

Карта дипольной анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. По данным спутника WMAP

Существуют и альтернативные теории, которые также могут объяснить выделенность дипольной компоненты реликтового излучения.

Отношение к Большому Взрыву

Первичная анизотропия

Реликтовое излучение поляризовано на уровне в несколько мкК. Выделяются E-мода (градиентная составляющая) и B-мода (роторная составляющая) по аналогии с поляризацией электромагнитного излучения. E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 мкК, не может возникать вследствие взаимодействия с плазмой.

B-мода является признаком инфляции вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение B-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что B-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной E-модой.

На 2015 год наблюдательных подтверждений открытия B-моды нет. 17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат можно полностью отнести на счёт галактической пыли.

Вторичная анизотропия

Вторичная анизотропия реликтового излучения возникает в процессе распространения фотонов на их пути от поверхности последнего рассеяния до наблюдателя, например, рассеяния на горячем газе или прохождения гравитационного потенциала.

Когда фотоны реликтового излучения стали распространяться беспрепятственно, обычная материя во Вселенной была в основном в виде нейтральных атомов водорода и гелия. Тем не менее, наблюдения галактик сейчас показывают, что большая часть объёма межгалактической среды состоит из ионизованного материала (так как есть несколько линий поглощения, связанных с атомами водорода). Это означает, что был период реионизации, в ходе которого некоторое количество вещества Вселенной было вновь разбито на ионы и электроны.

Фотоны микроволнового излучения рассеиваются на свободных зарядах, таких как электроны, которые не связаны в атомах. В ионизированной Вселенной такие заряженные частицы были выбиты из нейтральных атомов ионизирующим ультрафиолетовым излучением. Сегодня эти свободные заряды имеют достаточно низкую плотность в большей части объёма Вселенной, так что они не влияют заметно на реликтовое излучение. Однако если межгалактическая среда была ионизирована на очень ранних этапах расширения, когда Вселенная была намного плотнее, чем сейчас, то это должно было вызвать два основных следствия для реликтового излучения:

  • мелкомасштабные флуктуации будут стёрты подобно тому, как при взгляде на объект сквозь туман детали объекта становятся нечёткими.
  • процесс рассеяния фотонов на свободных электронах (томсоновское рассеяние) будет вызывать анизотропию поляризации реликтового излучения на больших угловых масштабах, которая будет коррелировать с температурной анизотропией.

Оба этих эффекта наблюдались космическим телескопом WMAP, что свидетельствует о том, что Вселенная была ионизирована на очень ранних этапах (на красном смещении более 17). Происхождение этого раннего ионизирующего излучения всё ещё является предметом научных дискуссий. Это излучение, возможно, включает свет самых первых звёзд, сверхновых, которые явились результатом эволюции этих звёзд, и ионизирующее излучение, возникающее при аккреционных дисках массивных чёрных дыр.

Два других эффекта, которые возникли в период между реионизацией и нашими наблюдениями реликтового излучения и которые являются причиной флуктуаций: эффект Сюняева — Зельдовича, заключающийся в том, что облако электронов высокой энергии рассеивает реликтовые фотоны и передаёт часть своей энергии им, и эффект Сакса — Вольфа, который вызывает смещение спектра фотонов от космического микроволнового фона в красную или фиолетовую область спектра по причине изменения гравитационного поля. Эти два эффекта связаны с влиянием структур в поздней Вселенной (красное смещение меньше или порядка 1). С одной стороны, они приводят к размыванию спектра реликтового излучения, так как накладываются на первичную анизотропию; с другой стороны — позволяют получить информацию о распространённости структур в поздней Вселенной, а также проследить за их развитием.

Наблюдения реликтового излучения

Радиотелескопы в Антарктиде:

  • DASI (Degree Angular Scale Interferometer) (США)
  • South Pole Telescope (SPT, «Южный Полярный Телескоп» (ЮПТ), «Телескоп южного полюса») (США)

Космические радиотелескопы:

  • РЕЛИКТ-1 (СССР, 1983—1984)
  • COBE (США, 1989—1996)
  • WMAP (США, 2001—2009)
  • Планк (ЕС, 2009—2010, н.в.)

Анализ

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Розовая область показывает теоретические предсказания.

Анализ реликтового излучения с целью получения его карт, углового спектра мощности, а в конечном итоге космологических параметров, является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, представляющим разложение фона по сферическим гармоникам, на практике трудно учитывать шумовые эффекты.

Для анализа данных используются специализированные пакеты:

  • HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelization) — пакет приложений, используемый командой WMAP.
  • GLESP (Gauss-Legendre Sky Pixelization) — пакет, разработанный в качестве альтернативы HEALPix при участии учёных из России, Германии, Англии и Тайваня.

Каждый пакет использует свой формат хранения карты реликтового излучения и свои методы обработки.

Слабые мультиполи

> См. также

  • Реликтовое холодное пятно
  • Реликтовый нейтринный фон

Примечания

  1. Fixsen, D. J. The Temperature of the Cosmic Microwave Background (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2009. — Vol. 707. — P. 916—920. — DOI:10.1088/0004-637X/707/2/916. — Bibcode: 2009ApJ…707..916F. — arXiv:0911.1955.
  2. Шкловский И. С., Вселенная, жизнь, разум. М.: Наука., 1987
  3. 1 2 Д. Ю. Климушкин, С. В. Граблевский. Глава 5. Реликтовое излучение и теория горячей Вселенной, § 5.3. Вещество и излучение в горячей расширяющейся Вселенной. Космология (2001). Дата обращения 11 мая 2013.
  4. Planck and the cosmic microwave background. European Space Agency (ESA). Дата обращения 1 апреля 2019.
  5. A. McKellar. Molecular Lines from the Lowest States of Diatomic Molecules Composed of Atoms Probably Present in Interstellar Space // Publications of the Dominion Astrophysical Observatory. — 1941. — Vol. 7. — P. 251. — Bibcode: 1941PDAO….7..251P.
  6. A. McKellar. The Problems of Possible Molecular Identification for Interstellar Lines (англ.) // Publications of the Astronomical Society of the Pacific (англ.)русск.. — 1941. — Vol. 53, no. 314. — P. 233-235. — DOI:10.1086/125323. — Bibcode: 1941PASP…53..233M.
  7. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1975. — С. 156. — 736 с.
  8. Physics Today, 1950, № 8, стр. 76
  9. Онлайн-энциклопедия «Кругосвет»
  10. Шмаонов Т. А. Методика абсолютных измерений эффективной температуры радиоизлучения с низкой эквивалентной температурой // Приборы и техника эксперимента. 1957. № 1 С.83-86. 18.
  11. Strukov I. A. et al. The Relikt-1 experiment — New results (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — Oxford University Press, 1992. — Vol. 258. — P. 37P—40P.
  12. Smoot G. F. et al. Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1992. — Vol. 396. — P. L1-L5.
  13. Упущенные возможности | Аналитика и комментарии | Лента новостей «РИА Новости» (недоступная ссылка)
  14. don_beaver — «Реликт» и «COBE»: упущенная нобелевка
  15. Джон Мазер: «Участники „Реликта“ получили много ценных результатов, но наши оказались лучше»
  16. Скулачёв Д., Они были первыми.
  17. Официальный сайт миссии Планк ЕКА
  18. Сообщение на сайте Astronet.ru
  19. WMAP
  20. http://elementy.ru/news/430163 Результаты работы спутника WMAP
  21. Реликтовое излучение в энциклопедии Кругосвет
  22. Микроволновое Фоновое Излучение в физической энциклопедии
  23. Wright E. L. History of the CMB Dipole Anisotropy
  24. Чернин А. Д., Звёзды и физика, М.: Наука, 1984, с. 152—153
  25. Kogut, A.; et al. Dipole Anisotropy in the COBE Differential Microwave Radiometers First-Year Sky Maps (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1993. — Vol. 419. — P. 1—6. — DOI:10.1086/173453.
  26. APOD: 2009 September 6 — CMBR Dipole: Speeding Through the Universe
  27. Куда мы движемся?
  28. Inoue, K.T.; Silk, J. Local Voids as the Origin of Large-Angle Cosmic Microwave Background Anomalies: The Effect of a Cosmological Constant (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 2007. — Vol. 664, no. 2. — P. 650—659. — DOI:10.1086/517603.
  29. CMB Polarization (недоступная ссылка). Дата обращения 17 ноября 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.
  30. Lewis, A.; Challinor, A. Weak gravitational lensing of the CMB (неопр.) // Physics Reports (англ.)русск.. — 2006. — Т. 429. — С. 1—65. — DOI:10.1016/j.physrep.2006.03.002.
  31. Clavin, Whitney. NASA Technology Views Birth of the Universe (англ.). NASA (17 March 2014). Дата обращения 18 марта 2014.
  32. Dennis Overbye. Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang (англ.). The New York Times (17 March 2014). Дата обращения 18 марта 2014.
  33. Джонатан Эймос. Обнаружена гравитационная волна Большого взрыва. Русская служба Би-би-си (18 марта 2014). Дата обращения 18 марта 2014.
  34. David A. Aguilar, Christine Pulliam. First Direct Evidence of Cosmic Inflation (англ.). Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (17 March 2014). Дата обращения 17 марта 2014.
  35. Ира Соломонова. Почти невероятно! Физики впервые доказали существование гравитационных волн. Быстрый Slon. Slon.ru (17 марта 2014). Дата обращения 17 марта 2014.
  36. Иванов Игорь. Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2. «Элементы.ру» (21 сентября 2014).
  37. 1 2 Гобунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной: Космологические возмущения. Инфляционная теория. — М.: КРАСАНД, 2010. — С. 276-277. — 555 с. — ISBN 978-5-396-00046-9. (Проверено 17 апреля 2013)
  38. Гобунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. — М.: ЛКИ, 2006. — С. 35—36. — 552 с. — ISBN 978-5-382-00657-4.
  39. Радиотелескоп в Антарктиде зафиксировал поляризацию реликтового излучения // 21.09.2002
  40. Американский телескоп в Антарктике уловил первые кванты «эха» Большого взрыва Вселенной // 28 февраля 2007

Литература

  • Дж. Ф. Смут. Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение // УФН. — 2007. — Т. 177, № 12. — С. 1294. — DOI:10.3367/UFNr.0177.200712d.1294.
  • Jean-Marc Bonnet-Bidaud. The Diffuse Light of the Universe — On the Microwave Background Before and After Its Discovery: Open Questions (англ.) // Foundations of Physics. — 2017. — DOI:10.1007/s10701-016-0056-1. — arXiv:1701.01017.
  • Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д. Реликтовое излучение Вселенной. — М.: Наука, 2003. — 390 с. — ISBN 9785020063686.

Ссылки

  • Микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение). Р. А. Сюняев.
  • Астронет. Документы с ключевым словом: Реликтовое излучение.
  • Реликтовое излучение. Энциклопедия «Кругосвет».
  • The Cosmic Microwave Background Radiation.
  • The Physics of Microwave Background Anisotropies.
  • LAMBDA — Legacy Archive for Microwave Background Data Analysis. NASA
  • First Year WMAP Technical Papers.
  • Сайт о современной космологии.
  • Видео «Поляризации реликтового излучения»

Словари и энциклопедии

Основные понятия
Радиотелескопы С одной апертурой Интерферометры Предложенные /
строящиеся
Космические
Персоналии
Связанные темы

Как объяснить загадочное холодное пятно реликтового излучения

Рис. 1. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным космической обсерватории «Планк». Синим цветом обозначены области, которые примерно на пару десятков микрокельвинов холоднее красных. Изображение с сайта esa.int

Реликтовое излучение — свет от первичной плазмы ранней Вселенной, который сейчас регистрируется в виде микроволнового фона, — помогло разрешить множество вопросов космологии. Благодаря нему теория Большого взрыва стала стандартной теорией о Вселенной. И сейчас мы всё еще продолжаем получать важную информацию, изучая реликтовое излучение. Но в нем имеются аномалии, которые ученые до сих пор не понимают. Среди них — холодное пятно, с которым связана одна из самых горячих дискуссий в современной космологии.

Согласно стандартной космологической модели, когда Вселенная была молодая (начиная от момента в несколько секунд после Большого взрыва и несколько сотен тысяч лет потом), она была заполнена горячей плазмой — «супом» из свободных протонов, электронов и ионизирующего излучения (фотонов) высокой энергии. Если какой-нибудь протон соединялся с электроном, образуя атом водорода, то такой атом мгновенно разбивался фотонами. Время шло, Вселенная расширялась, а плотность и температура излучения падали. В какой-то момент энергии фотонов перестало хватать для поддержания плазмы. Протоны и электроны смогли образовывать нейтральные атомы водорода, а длина свободного пробега фотонов стала больше размеров видимой Вселенной — излучение отделилось от вещества и впервые после Большого взрыва Вселенная стала для него прозрачной. Освободившиеся фотоны мы наблюдаем сегодня в виде реликтового излучения (рис. 2).

Рис. 2. Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва произошло отделение излучения от материи (маленькие кружочки с красными волнами). При этом из каждой точки излучение было испущено во все стороны сразу. Сейчас, спустя почти 14 миллиардов лет (на рисунке 14 миллиардов округлили до 15), мы видим это реликтовое излучение, приходящее со всех сторон. Изображение с сайта en.wikipedia.org

За счет расширения Вселенной длина волны реликтового излучения сегодня находится в миллиметровом диапазоне, но в момент, когда оно было испущено, она была примерно в 1100 раз короче (см. Космологическое красное смещение). Соответственно, температура этого излучения сегодня составляет 2,7 К, а в момент излучения — примерно 3000 К. Реликтовое излучение доминирует в современной Вселенной, то есть этих старых фотонов даже сейчас во много раз больше, чем фотонов от всех звезд (рис. 3).

Рис. 3. Карты неба в галактических координатах на разных длинах волн (длины волн указаны под каждой картинкой). На длинах волн до полумиллиметра самыми яркими являются разные небесные объекты, такие как Млечный Путь или зодиакальный свет (загогулина через все небо, наиболее яркая на 25 мкм). Но на миллиметровых волнах появляется очень яркое излучение, которое светит со всего небосвода. Это и есть реликтовое излучение. Источники изображений: видимый свет — сайт milkywaysky.com, длина волны от 1,25 до 240 мкм — данные фотометра DIRBE, большие длины волн — данные спектрофотометра FIRAS. Оба инструмента были установлены на спутнике COBE. Темные полосы на картах FIRAS происходят из-за особенностей сканирования неба; на небе таких полос, конечно, нет

Говоря о температуре реликтового излучения, имеют в виду, что частотный спектр этого излучения является спектром абсолютно черного тела с определенной температурой. Здесь употреблено не совсем научное слово «является» (ведь в науке проверяют, насколько теория соотносится с экспериментом). Но, глядя на измерения спектра реликтового излучения (рис. 4), иначе и не скажешь. Обратите внимание, что показанные ошибки измерений умножены на 400 — иначе их просто не было бы видно. Измерение спектра реликтового излучения — самое точное измерение во всей космологии.

Рис. 4. Частотный спектр реликтового излучения (точки с отрезками, указывающими на погрешности), измеренный инструментом FIRAS, и его сравнение со спектром абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. Показана интенсивность в зависимости от частоты излучения (нижняя горизонтальная ось) или от длины волны (верхняя горизонтальная ось). Погрешности измерения умножены на 400

Открытие реликтового излучения в 1964 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном стало важнейшим подтверждением верности теории Большого взрыва. Еще бы: мы ведь увидели напрямую плазму молодой Вселенной, которой было всего около 400 тысяч лет (сравните с современным возрастом Вселенной — около 14 миллиардов лет). Сегодня, продолжая наблюдения реликтового излучения, мы узнаем все больше и больше о процессах, проходивших в те ранние эпохи.

Сейчас эксперименты в области наблюдения реликтового излучения сконцентрированы на изучении его анизотропии. Как уже говорилось, свет реликтового излучения приходит к нам со всех сторон. Фотоны реликтового излучения имеют практически одинаковую температуру, вне зависимости от направления их прилета (то есть реликтовое излучение почти изотропно). Однако имеются также небольшие флуктуации температуры по направлениям (анизотропия реликтового излучения). Амплитуда этих флуктуаций очень маленькая: среднее отклонение составляет около 10−5 от средней температуры реликтового излучения (рис. 1).

Флуктуации температуры плазмы в ранней Вселенной определяются случайными процессами, поэтому для их изучения логично применять статистические методы. Для этого смотрят на корреляции флуктуаций по разным угловым расстояниям и строят так называемый угловой спектр мощности. Спектр мощности температурных флуктуаций, измеренный в различных современных экспериментах, показан на рис. 5. На нем показан спектр по так называемым мультиполям — величинам, обратно пропорциональным угловому расстоянию.

Рис. 5. Угловой спектр мощности температурных флуктуаций реликтового излучения, полученный по данным проектов Planck, WMAP (финальные результаты за 9 лет наблюдений), ACT и SPT. Спектр мощности показывает, насколько флуктуации коррелируют на разных угловых масштабах. Например, высокий пик на 1° (верхняя горизонтальная ось; на нижней оси показано значение мультиполя: l = π/α, где α — угол с верхней горизонтальной оси) означает, что наиболее типичным размером флуктуаций является 1°. Серая пунктирная линия показывает сравнение экспериментальных данных со стандартной космологической моделью. График из статьи Planck Collaboration, 2013. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results

Важным результатом этих измерений является сравнение измеренного спектра мощности с ожиданием согласно стандартной космологической модели (которая, напомним в двух словах, заключается в том, что Вселенная, на 70% состоящая из темной энергии и на 25% — из темной материи, разлетается после Большого взрыва, случившегося 13,8 миллиардов лет назад). Совпадение с теоретическим спектром наблюдается с высокой точностью, что подтверждает верность нашей модели Вселенной.

Холодное пятно реликтового излучения

Флуктуации реликтового излучения распределены по небесной сфере очень равномерно: мы не видим, чтобы в какой-то области неба красные (или синие) пятнышки были больше или меньше. Ну, то есть почти не видим. Имеется по крайней мере одна аномалия, называемая «холодным пятном» (см. CMB cold spot). Она находится в созвездии южного полушария Эридан и имеет радиус примерно 5° (рис. 6). Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 мкК ниже, чем в среднем (при том, что среднее отклонение по всему небу составляет только 18 мкК), а в его центре температура падает вообще на 150 мкК. Холодное пятно было впервые обнаружено в 2001 году при помощи WMAP — космического микроволнового телескопа второго поколения (первое поколение экспериментов по исследованию флуктуаций реликтового излучения было в 80–90-х годах, сейчас начинается уже четвертое поколение).

Рис. 6. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным спутника Planck. На врезке крупно показано холодное пятно. Изображение с сайта astronomy.com

Но главная проблема даже не в температуре холодного пятна, а в его размере. Просто глядя на карту реликтового излучения, сложно сказать, что выделенное холодное пятно является чем-то необычным и странным. Казалось бы, имеются и красные (горячие) и синие (холодные) пятна гораздо большего размера. Тут, во-первых нужно помнить, что эта картинка — восстановленная карта флуктуаций реликтового излучения. Всё, что находится на центральной горизонтали, на самом деле скрыто от нас излучением Млечного Пути (см. рис. 3). И требуется непростая процедура комбинирования карт неба на разных частотах, чтобы «вычесть» нашу Галактику. В итоге мы получаем полную карту реликтового излучения, но областям, скрытым за Млечным Путем, особого доверия нет, и в анализе они обычно не используются. Большинство видимых глазом пятен лежит именно в этой ненадежной области карты. Холодное же пятно лежит в «чистой», надежно измеренной области неба, далеко от Млечного Пути. Во-вторых, оно и правда необычайно холодное.

Чтобы объяснить, почему холодное пятно такое странное, введем понятие горизонта. Горизонт — это максимальное расстояние, которое частица может пролететь с момента Большого взрыва, если она движется со скоростью света. Горизонт ограничивает причинно связанные области Вселенной: так как информация (то есть любой вид физических взаимодействий) не может распространяться быстрее скорости света, области Вселенной, отделенные друг от друга на расстояние больше горизонта, не должны иметь ничего общего между собой. В момент отделения реликтового излучения горизонт имел размер, который сегодня виден под углом примерно 1° (вспомните, что первый пик на спектре мощности находится именно на значении 1°). Таким образом, очень странно видеть, что в холодном пятне температура коррелирует на больших расстояниях. Выглядит так, будто в этом месте произошло что-то, что распространялось со скоростью больше скорости света.

На самом деле ученые так и считают, что в ранней Вселенной был процесс, расширявший пространство быстрее скорости света. Этот процесс происходил в эпоху инфляции, закончившуюся примерно через 10−33 с после Большого взрыва. Благодаря инфляции сегодня мы видим реликтовое излучение изотропным на больших угловых расстояниях.

Одно из самых распространенных заблуждений о теории Большого взрыва связано с тем, что Большой взрыв берет начало из сингулярности, которая в простом понимании ассоциируется с точкой. Поэтому возникают вопросы типа: «А где на небе находится точка, где произошел Большой взрыв?» Такой точки нет, и вот почему. Считается, что Вселенная бесконечна, хотя мы и не видим ее всю целиком. И еще мы знаем, что Вселенная расширяется. Если мы посмотрим назад по оси времени, мы, соответственно, увидим, что она сжимается. А теперь вопрос: если мы сжимаем бесконечность, в какой момент она перестанет быть бесконечной и превратится в «нуль»? Правильный ответ: ни в какой! Бесконечность так и останется бесконечной, даже если мы ее бесконечно сожмем. То же самое и со Вселенной: она была бесконечной в каждый момент ее истории, в том числе в момент Большого взрыва.

Но теперь, если Вселенная с самого начала была бесконечной, то почему реликтовое излучение имеет почти одинаковую температуру по всему небосводу? Ведь мы говорили, что размер горизонта составляет всего около 1°! А значит, реликтовое излучение должно состоять из многочисленных причинно не связанных областей. И очень странно видеть, что они такие одинаковые. Это называется проблемой горизонта (см. Horizon problem).

Чтобы справиться с этой проблемой (и несколькими другими связанными задачами), физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт разработали теорию инфляции, согласно которой вся наблюдаемая нами сегодня Вселенная «раздулась» (английское слово «inflate» означает «надувать») из некоторой небольшой причинно связанной области. Теория инфляции, которая нередко рассматривается как часть стандартной модели космологии, предполагает, что в промежуток от 10−36 с до 10−33–10−32 с после Большого взрыва Вселенная расширялась с огромным ускорением (затем она продолжила расширяться, но уже без ускорения). Хотя до сих пор физики не пришли к единому мнению, за счет какого именно процесса Вселенная расширялась с ускорением в период инфляции, имеются многие экспериментальные указания, что это было действительно так. В настоящий момент ведутся поиски последнего доказательства инфляции — B-мод поляризации реликтового излучения.

И благодаря инфляции мы получили неоднородности в распределении плотности Вселенной, из которых позднее сформировались галактики (сначала эти неоднородности были микроскопическими квантовыми флуктуациями, которые затем «раздулись» до больших размеров). Однако, хотя инфляция и предлагает механизм, связывающий области Вселенной на сверхгоризонтных расстояниях, всё равно странно: почему везде неоднородности реликтового излучения имеют размер в 1° и меньше, а в районе холодного пятна — целых 5°?

Итак, подведем промежуточные итоги. На карте реликтового излучения имеется очень странная аномалия — холодное пятно. Она отличается большим размером, около 5°, и низкой температурой — отклонение от средней температуры реликтового излучения почти в 10 раз больше, чем в других областях неба.

Объяснение с помощью пустоты

Появление холодного пятна можно объяснить по крайней мере двумя способами: можно предположить, что оно происходит от какого-то процесса в ранней Вселенной, а можно поискать, что могло отпечататься на реликтовом излучении в более поздние эпохи. Обсудим сперва вторую возможность.

Проще всего можно объяснить появление холодного пятна, предположив наличие пустоты в распределении галактик в данном направлении. Мы знаем, что галактики во Вселенной формируют крупномасштабную структуру, состоящую из скоплений, связывающих их нитей и пустот (войдов) между ними.

Крупномасштабная структура Вселенной в компьютерном моделировании, основанном на стандартной космологической модели. Каждая светящаяся точка — галактика. Размер изображенной области более 100 миллионов световых лет в поперечнике

Почему пустота может объяснить наличие холодного пятна? Рассмотрим фотон реликтового излучения, проходящий через пустоту. Входя в пустое пространство из области с более высоким гравитационным потенциалом, фотон теряет энергию за счет гравитационного красного смещения. То есть фотону нужно затратить энергию, чтобы выбраться из ямы гравитационного потенциала. Выходя из пустоты, фотон снова набирает потерянную энергию. Однако, в случае расширяющейся Вселенной, к моменту выхода из пустоты гравитационный потенциал будет уже не таким глубоким, и фотон не получит полностью потерянную энергию. Таким образом, пустоты делают фотоны реликтового излучения более холодными. А скопления, наоборот, разогревают их. В среднем оба эффекта компенсируют друг друга. Однако если мы имеем большую пустоту недалеко от нас, то охлаждение фотонов реликтового излучения может оказаться заметным.

Пустота поблизости от нас — более предпочтительное объяснение образования холодного пятна, чем аномалия в ранней Вселенной, потому что сегодня горизонт намного больше, чем был тогда. То есть анизотропия в ближайшем окружении более вероятна, чем в дальнем. В статье «Космические нарушители спокойствия: холодное пятно, супервойд Эридана и великие стены» (A. Kovács, J. García-Bellido, 2016. Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls), опубликованной летом 2016 года, ее авторы Андраш Ковач и Хуан Гарсия-Беллидо заявляют, что обнаружили пустоту в направлении холодного пятна (эта статья подводит итоги и дополняет более ранние исследования этого вопроса, см., в частности, статью Иштвана Сапуди, Андраша Ковача и др.: I. Szapudi et al., 2015. Detection of a Supervoid Aligned with the Cold Spot of the Cosmic Microwave Background). Обнаруженная пустота в созвездии Эридан — именно такая, как нужно: узкая и очень длинная, простирающаяся от нас до значения красного смещения z = 0,3 (то есть на дальнем краю этой пустоты мы видим Вселенную, которая в 1,3 раза меньше современной, это около 800 Мпк).

Детально изучив эту пустоту, Ковач и Гарсия-Беллидо заключили, что она состоит из цепочки соединенных между собой пустот меньшего размера. Плотность вещества в ней примерно на 25% меньше, чем в среднем по локальной Вселенной. Длина пустоты вдоль линии взгляда — примерно 500 Мпк, а ширина — около сотни Мпк. Однако всё честно исследовав, ученые пришли к выводу, что пустота Эридана все-таки недостаточно «пустая», чтобы объяснить возникновение холодного пятна. Она может снизить температуру реликтового излучения в данном направлении лишь на 40 мкК из наблюдаемых 150.

Получается противоречивый вывод. С одной стороны пустота Эридана и холодное пятно явно связаны друг с другом, ведь оба они находятся в одном и том же месте на небосводе. Но обнаруженная пустота явно недостаточна, чтобы полностью обосновать эту связь. Возможно ли, что такая связь все-таки существует, но, чтобы ее обнаружить, нам необходим детальный пересмотр всей нашей космологии? Тогда холодное пятно окажется окном в новую захватывающую физику!

Стоп, не так быстро. Может, еще и нет никакой новой физики. В статье за апрель 2017 года «Указание против существования пустоты, связанной с холодным пятном реликтового излучения» (R. Mackenzie et al., 2017. Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot) уже упоминавшийся Иштван Сапуди с коллегами показывают, что пустота Эридана не такая большая. Согласно их расчетам, она имеет размер всего 100 МПк и на 34% менее плотная, чем окружающая Вселенная. И хотя, по этим расчетам, пустота Эридана оказывается более пустой, она может объяснять понижение температуры реликтового излучения всего на 6 мкК. Вдоль направления на холодное пятно имеются еще пара пустот, но они еще меньше, чем эта и в сумме не дают и близко нужного эффекта.

Нужно пояснить, почему в разных исследованиях получаются разные результаты. Наблюдая галактику в телескоп, мы можем весьма точно измерить ее положение на небосводе, но измерение расстояния до нее — не такая простая задача. То есть для построения трехмерной карты неба имеются две хорошо измеренные координаты и одна — плохо измеренная. Для определения расстояний требуется измерение красного смещения, которое, как уже было сказано выше, указывает на то, насколько меньше была Вселенная в момент, когда свет от удаленной галактики был испущен. Фактически, красное смещение — это измерение расстояний на сверхдалеких дистанциях (начиная от ~100 Мпк). Красное смещение, в свою очередь, измеряется по спектрам звезд: сам термин «красное смещение» означает, что спектры свечения далеких объектов смещены в сторону длинных волн (кажутся более красными). Поэтому для измерения красного смещения необходимо использовать не простой телескоп, а какой-то инструмент, чувствительный к длине волны излучения.

Используются два подхода: фотометрический и спектрометрический. Фотометрический заключается в том, что телескоп обозревает небо по нескольким длинам волн, каждую длину волны отдельно (примерно, как в цифровом фотоаппарате: отдельно снимаются красный, зеленый и синий цвета). Фотометрический подход позволяет изучать все объекты, попавшие в поле зрения телескопа, разом. Но при этом он дает плохую чувствительность по спектру. Спектрометрический подход заключается в использовании спектрометра отдельно для каждого объекта в поле зрения телескопа. При этом получается отличное измерение спектра. Но это измерение трудно провести для всех объектов, которые видны в телескоп (измерение спектра каждого объекта требует времени, пусть и небольшого). Поэтому приходится выбирать, для каких объектов измерять спектр, а для каких — нет. Получается, что оба метода дают погрешности: у фотометрии это погрешность измерения красного смещения, а у спектрометрии — погрешность из-за ограниченной выборки. В первой из обсуждаемых статей использовались и фотометрические, и спектрометрические измерения, при этом спектрометрические данные были сконцентрированы больше на небольших значениях красного смещения (ближняя к нам область). Использованные каталоги содержат почти 100 тысяч галактик, хотя большая их часть расположена на красных смещениях z < 0,1. Во второй статье использовались спектрометрические данные до значения красного смещения z = 0,4, но при этом авторы статьи смогли исследовать лишь 7000 галактик.

Подводя итог. Вопрос с холодным пятном и связанной с ним пустотой в локальной области Вселенной — один из «горячих» в современной космологии. И можно надеяться, что в ближайшее время этот вопрос либо закроется окончательно, либо принесет очень интересные открытия. На данный момент ясно, что в направлении холодного пятна есть более или менее (в зависимости от данных, использованных в исследовании) разреженная область. Но, насколько мы можем заключить, эта разреженная область — пустота Эридана — недостаточно большая и пустая, чтобы объяснить возникновение холодного пятна. Связаны ли эти два явления или нет, неясно. Вообще говоря, сам факт наблюдения пустоты Эридана тоже является интересной темой для исследований: уж очень она большая, эта пустота. Но в связи с холодным пятном пока все как-то неопределенно. И всё же еще раз: две космических необычности — пустота Эридана и холодное пятно реликтового излучения — случились в одном и том же месте небосвода. Совпадение? Может быть — да, может быть — нет. Надо разбираться.

Объяснение с помощью процесса в ранней Вселенной

Теперь рассмотрим более экзотические сценарии возникновения холодного пятна. В них предполагается, что холодное пятно образовалось в самые первые моменты после Большого взрыва. Вообще, нам мало что известно об этом времени. Предполагается, что примерно через 10−32 с после Большого взрыва закончилась эпоха инфляции, когда Вселенная расширялась с ускорением. Еще раньше, через 10−36 с после него, была эпоха, когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в одно. Но стройной теории, которая объясняла бы процессы в эту эпоху, у нас нет. А еще раньше, до момента 10−43 с, была таинственная Планковская эпоха. Мы пока вообще не понимаем, чем было тогда пространство и время. Различные предположения и спекуляции об этих ранних эпохах предсказывают такие загадочные вещи, как космические струны или монополи. Холодное пятно может вполне оказаться отпечатком такой ранней особенности, если существовали, например, какие-то неоднородные текстуры пространства-времени (M. Cruz et al., 2007. A Cosmic Microwave Background Feature Consistent with a Cosmic Texture) или неоднородности в инфляционном поле (Juan C. Bueno Sánchez, 2014. The inflationary origin of the Cold Spot anomaly).

Другое экзотическое объяснение предполагает, что в начале эпохи инфляции наша Вселенная столкнулась с другой вселенной, что привело к возникновению холодного пятна (K. Larjo, T. S. Levi, 2009. Bubble, Bubble, Flow and Hubble: Large Scale Galaxy Flow from Cosmological Bubble Collisions). Теория инфляции, во многих ее интерпретациях, предполагает, что мы живем в некотором изолированном пузыре-вселенной и что существует еще огромное количество пузырей, в которых, может быть, эволюция вселенной пошла совершенно другим путем. Если в начале инфляции наш пузырь столкнулся с другим, то можно ожидать увидеть пятно или дискообразную структуру на реликтовом излучении (представьте, что мы живем в мыльном пузыре, который когда-то пересекся с другим пузырем: если они пересеклись чуть-чуть, то на нашем пузыре может остаться пятно, а если пересеклись сильно, то останется кольцо). Если так, то холодное пятно может стать первым наблюдаемым явлением, отражающим экзотическую физику ранней Вселенной, в том числе физику струн.

Рис. 7. Теория инфляции подразумевает, что мы живем в изолированном пузыре-вселенной и что существует еще множество других пузырей, где могут быть другие вселенные. Рисунок с сайта bbc.com

Впрочем, не стоит забывать, что холодное пятно может оказаться просто случайным образованием. Если взять физические параметры нашего мира и смоделировать много случайных симуляций Вселенной, то в одной на 50 симуляций будет что-то похожее на наше холодное пятно. А это не такая уж низкая вероятность.

В заключение стоит также отметить, что наша стартовая точка, утверждение о том, что холодное пятно является чем-то очень необычным, — не такое уж безапелляционное. Как вообще определили, что именно эта структура является аномальной? Для этого на измеренную карту флуктуаций температуры реликтового излучения примеряют функцию, по форме напоминающую мексиканское сомбреро. С помощью разных сомбреро можно отыскивать аномалии разного углового размера. Такой анализ показывает исключительность холодного пятна. Но на что именно реагирует анализ? Оказывается, что анализ реагирует не только на низкую температуру в центре пятна, но и на кольцо повышенной температуры вокруг него. Не будь этого горячего кольца, значимость холодного пятна была бы ниже. Хотя даже и тогда холодное пятно остается исключительной и непонятной аномалией.

Михаил Столповский

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *