Radiația relicvă ( lat. relictum - rămășiță), radiația cosmică de fond cu microunde - umplerea uniformă a radiației termice a Universului care a apărut în era recombinării primare a hidrogenului . Are un grad ridicat de izotropie și un spectru caracteristic unui corp absolut negru cu o temperatură de 2,72548 ± 0,00057 K [1] .
Existența CMB a fost prezisă teoretic de Georgy Gamow în 1948 , ca parte a teoriei Big Bang . Deși multe aspecte ale teoriei originale Big Bang au fost acum revizuite, elementele fundamentale care au făcut posibilă prezicerea temperaturii efective a CMB rămân neschimbate. Existența sa a fost confirmată experimental în 1965 . Alături de deplasarea cosmologică spre roșu , CMB este văzută ca una dintre principalele confirmări ale teoriei Big Bang.
Termenul de radiații relicve , care este folosit de obicei în literatura de limbă rusă, a fost introdus de astrofizicianul sovietic I.S. Shklovsky [2] .
Conform teoriei Big Bang, universul timpuriu a fost o plasmă fierbinte formată din electroni , barioni și fotoni emiși, absorbiți și reemiși în mod constant . Fotonii au interacționat constant cu restul particulelor de plasmă, ciocnindu-se cu ele și schimbând energie - în primele câteva sute de mii de ani după Big Bang, Thomson (la energii mult mai mici decât masa electronului) [3] și împrăștierea Compton (înainte și înapoi, γ + e − ↔ γ + e − ), precum și dubla împrăștiere Compton ( γ + e − ↔ γ + γ + e − , eficientă la temperaturi peste 1 keV) și bremsstrahlung termic (tranziții libere ale electronilor în câmpul protonilor și al altor nuclee, e − + p + ↔ e − + p + + γ , domină la temperaturi de la 1 la 90 eV) [4] . Astfel, radiația se afla într-o stare de echilibru termic cu materia, iar spectrul acesteia corespundea cu spectrul unui corp absolut negru [5] .
Pe măsură ce Universul s-a extins, deplasarea cosmologică spre roșu a făcut ca plasma să se răcească și, la o anumită etapă, electronii încetiniți au avut ocazia să se combine cu protoni încetiniți ( nuclei de hidrogen ) și particule alfa ( nuclei de heliu ), formând atomi (acest proces este numită recombinare ). Acest lucru s-a întâmplat la o temperatură a plasmei de aproximativ 3000 K și o vârstă aproximativă a Universului de 380.000 de ani [6] . Există mai mult spațiu liber între particule, sunt mai puține particule încărcate, fotonii nu se mai împrăștie atât de des și acum se pot mișca liber în spațiu, practic fără a interacționa cu materia. Radiația relicvă și alcătuiesc acei fotoni care erau la acea vreme emiși de plasmă în direcția viitoarei locații a Pământului. Acești fotoni (datorită recombinării deja în desfășurare) au scăpat de împrăștiere și ajung în continuare pe Pământ prin spațiul Universului în expansiune. Sfera observată corespunzătoare unui moment dat se numește ultima suprafață de împrăștiere [3] . Este cel mai îndepărtat obiect care poate fi observat în spectrul electromagnetic.
Ca urmare a extinderii în continuare a Universului, temperatura efectivă a acestei radiații a scăzut aproape la zero absolut și este acum de doar 2,725 K.
În 1941, în timp ce studia absorbția luminii de la stea ξ Ophiuchus de către moleculele CN în mediul interstelar , Andrew McKellar a remarcat [7] [8] că liniile de absorbție sunt observate nu numai pentru starea de rotație fundamentală a acestei molecule, ci și pentru cel excitat, iar raportul intensităților liniei corespunde unei temperaturi de CN ~2,3 K. La acel moment, acest fenomen nu era explicat [9] .
În 1948, CMB a fost prezis de Georgy Gamow , Ralph Alpher și Robert Herman, pe baza primei teorii Hot Big Bang pe care au creat-o. Mai mult, Alfer și Herman au reușit să stabilească că temperatura CMB ar trebui să fie de 5 K, iar Gamow a dat o predicție de 3 K [10] . Deși unele estimări ale temperaturii spațiului existau înainte de aceasta, acestea aveau câteva dezavantaje. În primul rând, acestea au fost măsurători ale temperaturii efective a spațiului, nu sa presupus că spectrul de radiații se supune legii lui Planck . În al doilea rând, ei au fost dependenți de locația noastră specială la marginea galaxiei Calea Lactee și nu au presupus că radiația este izotropă. Mai mult decât atât, ar da rezultate complet diferite dacă Pământul ar fi altundeva în univers.
În 1955, un radioastronom postuniversitar Tigran Aramovici Shmaonov de la Observatorul Pulkovo , sub îndrumarea cunoscuților radioastronomi sovietici S. E. Khaikin și N. L. Kaidanovsky , a măsurat emisiile radio din spațiu la o lungime de undă de 3,2 cm și a descoperit experimental radiația de zgomot cu microunde. [11] . Concluzia acestor măsurători a fost: „S-a dovedit că valoarea absolută a temperaturii efective a emisiei radio de fundal... este egală cu 4 ± 3 K”. Shmaonov a remarcat independența intensității radiațiilor față de direcția cerului și față de timp. După ce și-a susținut disertația, a publicat un articol despre aceasta în revista non-astronomică Instruments and Experimental Techniques [12] .
Rezultatele lui Gamow nu au fost discutate pe larg. Cu toate acestea, au fost obținute din nou de Robert Dicke și Yakov Zel'dovich la începutul anilor 1960.
În 1964, acest lucru ia determinat pe David Todd Wilkinson și Peter Roll, colegii lui Dicke de la Universitatea Princeton , să dezvolte radiometrul Dicke pentru măsurători CMB.
În 1965, Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson de la Bell Telephone Laboratories din Holmdale ( New Jersey ) au construit un instrument similar radiometrului Dicke, pe care intenționau să-l folosească nu pentru căutări CMB, ci pentru experimente în radioastronomie și comunicații prin satelit. . La calibrarea configurației, s-a dovedit că antena avea o temperatură de zgomot în exces de 3,5 K, ceea ce nu au putut explica. După ce a primit un apel de la Holmdale, Dicke a remarcat cu umor: „Băieți, am fost săriți!” („Băieți, am fost scoși!”). După o discuție comună, grupurile Princeton și Holmdale au concluzionat că această temperatură a antenei a fost cauzată de CMB. În 1978, Penzias și Wilson au primit Premiul Nobel pentru descoperirea lor .
În 1983, primul experiment, RELIKT-1 , a fost efectuat pentru a măsura radiația cosmică de fond cu microunde de la o navă spațială. În ianuarie 1992, pe baza analizei datelor din experimentul RELICT-1, oamenii de știință ruși au anunțat descoperirea anizotropiei radiației relicte [13] . Puțin mai târziu, descoperirea fluctuațiilor a fost anunțată și de oamenii de știință americani pe baza datelor experimentului COBE [14] . În 2006, Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat liderilor grupului COBE, George Smoot și John Mather , pentru această descoperire , deși cercetătorii ruși și-au publicat rezultatele înaintea americanilor [15] [16] [17] [18] .
Spectrofotometrul cu infraroșu îndepărtat FIRAS de pe satelitul COBE al NASA a realizat cea mai precisă măsurare a spectrului CMB până în prezent. Ei au confirmat corespondența sa cu spectrul de radiații al unui corp absolut negru, cu o temperatură de 2,725 K.
Cea mai detaliată hartă a fundalului cosmic cu microunde a fost construită ca urmare a muncii navei spațiale americane WMAP .
Pe 14 mai 2009 a fost lansat satelitul Planck al Agenției Spațiale Europene [19] [20] . S-a presupus că observațiile vor continua timp de 15 luni cu o posibilă prelungire a zborului cu 1 an și că procesarea rezultatelor acestui experiment ne va permite să verificăm și să rafinăm datele obținute de WMAP.
Spectrul de radiații relicve care umple Universul corespunde spectrului de radiații al unui corp absolut negru cu o temperatură de 2,725 kelvin . Maximul său apare la o frecvență de 160,4 GHz ( radiație cu microunde ), ceea ce corespunde unei lungimi de undă de 1,9 mm (vezi spectrele de emisie în figura din dreapta). Este izotrop cu 0,01% - abaterea standard a temperaturii este de aproximativ 18 µK. Această valoare nu ține cont de anizotropia dipolului (diferența dintre regiunea cea mai rece și cea mai fierbinte este de 6,706 mK [21] ) cauzată de deplasarea Doppler a frecvenței radiației din cauza propriei viteze în raport cu cadrul de referință asociat cu CMB. Redshift-ul pentru fundalul cosmic cu microunde depășește ușor 1000 [22] .
Densitatea de energie a radiației relicve este de 0,25 eV/cm 3 [23] (4⋅10 −14 J/m 3 ) sau 400-500 fotoni/cm 3 [24] .
În 1969, s-a descoperit că o componentă dipol se distingea vizibil în radiația cosmică de fond cu microunde: în direcția constelației Leului, temperatura acestei radiații este cu 0,1% mai mare decât în medie, iar în direcția opusă, cu aceeași sumă mai mică [25] . Acest fapt este interpretat ca o consecință a efectului Doppler , care apare atunci când Soarele se deplasează față de fundalul de fundal cu o viteză de aproximativ 370 km/s către constelația Leului. Deoarece Soarele se învârte în jurul centrului galaxiei cu o viteză de ~220-230 km/s către constelația Cygnus și, de asemenea, se mișcă în raport cu centrul grupului local de galaxii (un grup de galaxii care include Calea Lactee ) [26] , aceasta înseamnă că Grupul Local în ansamblu se deplasează în raport cu CMB cu o viteză de aproximativ (conform datelor moderne) km/s în direcția punctului cu coordonate galactice , [27] [28] ( acest punct este situat în constelația Hidra [29] ).
Există teorii alternative care pot explica și izolarea componentei dipol a CMB [30] .
Radiația relicvă este polarizată la un nivel de câțiva μK . Modul E ( componenta gradient ) și modul B ( componenta rotativă ) [31] se disting prin analogie cu polarizarea radiației electromagnetice . Modul E poate apărea atunci când radiația trece printr-o plasmă neomogenă din cauza împrăștierii Thompson . Modul B, a cărui amplitudine maximă atinge doar 0,1 μK , nu poate apărea din cauza interacțiunii cu plasma.
Modul B este un semn distinctiv al inflației universului și este determinat de densitatea undelor gravitaționale primordiale . Observarea modului B este o provocare din cauza nivelului de zgomot necunoscut pentru această componentă a CMB și, de asemenea, datorită faptului că modul B este amestecat de lentile gravitaționale slabe cu modul E mai puternic [32] .
Din 2015, nu există confirmări observaționale ale descoperirii modului B. Pe 17 martie 2014, oamenii de știință de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică au anunțat descoperirea unui mod B la r = 0,2 [33] [34] [35] [36] [37] . Cu toate acestea, o analiză ulterioară (publicată la 19 septembrie 2014), realizată de un alt grup de cercetători folosind date de la observatorul Planck , a arătat că rezultatul poate fi atribuit în totalitate prafului galactic [38] .
Anizotropia secundară a radiației cosmice de fond cu microunde apare în timpul propagării fotonilor pe drumul lor de la suprafața ultimei împrăștieri la observator, de exemplu, împrăștierea printr-un gaz fierbinte sau trecerea prin potențialul gravitațional [39] .
Când fotonii CMB au început să se propagă nestingheriți, materia obișnuită din univers era în cea mai mare parte sub formă de atomi neutri de hidrogen și heliu. Cu toate acestea, observațiile galaxiilor arată acum că cea mai mare parte a volumului mediului intergalactic este alcătuită din material ionizat (deoarece există mai multe linii de absorbție asociate cu atomii de hidrogen). Aceasta înseamnă că a existat o perioadă de reionizare , în care o anumită cantitate de materie din Univers a fost din nou descompusă în ioni și electroni [40] .
Fotonii radiațiilor cu microunde se împrăștie pe sarcini libere, cum ar fi electronii, care nu sunt legați în atomi. Într-un univers ionizat, astfel de particule încărcate au fost scoase din atomi neutri prin radiația ultravioletă ionizantă. Astăzi, aceste taxe gratuite au o densitate suficient de mică în cea mai mare parte a volumului universului, astfel încât să nu afecteze semnificativ CMB-ul. Cu toate acestea, dacă mediul intergalactic a fost ionizat în primele etape ale expansiunii, când universul era mult mai dens decât este acum, atunci acest lucru ar trebui să aibă două consecințe principale pentru CMB:
Ambele efecte au fost observate de telescopul spațial WMAP, ceea ce indică faptul că Universul a fost ionizat în stadii foarte timpurii (la o deplasare spre roșu de peste 17). Originea acestei radiații ionizante timpurii este încă o chestiune de dezbatere științifică. Această radiație include, posibil, lumina de la primele stele, supernove , care au rezultat din evoluția acestor stele și radiații ionizante de pe discurile de acreție ale găurilor negre masive .
Alte două efecte care au apărut în perioada dintre reionizare și observațiile noastre asupra radiației cosmice de fond cu microunde și care sunt cauza fluctuațiilor: efectul Sunyaev-Zeldovich , care constă în faptul că un nor de electroni de înaltă energie împrăștie fotonii cosmici de fond cu microunde. și le transferă o parte din energia sa și efectul Sachs-Wolff , care provoacă o schimbare a spectrului fotonic de la fundalul cosmic cu microunde în regiunea roșie sau violetă a spectrului din cauza unei modificări a câmpului gravitațional. Aceste două efecte sunt legate de influența structurilor din Universul târziu (deplasarea spre roșu este mai mică sau de ordinul lui 1). Pe de o parte, ele conduc la estomparea spectrului CMB, deoarece sunt suprapuse anizotropiei primare; pe de altă parte, ele permit obținerea de informații despre prevalența structurilor în Universul târziu, precum și urmărirea dezvoltării acestora [39] .
Radiotelescoape în Antarctica :
Analiza radiației cosmice de fond cu microunde pentru a obține hărțile acesteia, spectrul de putere unghiular și, în cele din urmă, parametrii cosmologici, este o sarcină complexă, dificilă din punct de vedere computațional. Deși calculul spectrului de putere din hartă este în principiu o simplă transformată Fourier reprezentând descompunerea fundalului în armonici sferice , în practică este dificil să se ia în considerare efectele de zgomot .
Pentru analiza datelor se folosesc pachete specializate:
Fiecare pachet folosește propriul format de stocare a hărților CMB și propriile metode de procesare.
În timpul inflației cosmologice , în prima sec. după Big Bang, fluctuațiile cuantice provoacă neomogenități în densitatea materiei din Univers, care apoi încep să oscileze sub formă de unde acustice în picioare (datorită expansiunii rapide a spațiului) cu aceeași fază inițială. În timpul emisiei de radiații relicve, neomogenitățile materiei vor fi evidențiate și suprimate în funcție de faza curentă a undei. În figură, maximul radiației relicve s-a format datorită undelor acustice care au avut o fază în momentul recombinării . Maximele rămase au apărut ca urmare a undelor cu faze , , ... [43]
În seria neterminată de science-fiction Stargate: Universe , cercetarea CMB este misiunea principală a Destiny, o navă fără pilot a rasei Antici . Conform mitologiei seriei, Anticii stabilesc că fundalul cosmic cu microunde conține un semnal structurat complex și, posibil, este artificial. Cu toate acestea, după ce au început experimentul cu milioane de ani în urmă, Anticii nu l-au finalizat niciodată datorită ascensiunii lor. Până la începerea seriei, Destiny își continuă călătoria automată de milioane de ani lumină de la Pământ până la presupusa sursă a semnalului, așteptând întoarcerea creatorilor săi.
Dicționare și enciclopedii | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|
radioastronomie | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Noțiuni de bază | |||||||||
radiotelescoape |
| ||||||||
Personalități | |||||||||
subiecte asemănătoare | |||||||||
Categorie:Radioastronomie |
Cronologia Universului | |
---|---|
Primele trei minute după Big Bang | |
universul timpuriu | |
Viitorul Universului |
Cosmologie | |
---|---|
Concepte și obiecte de bază | |
Istoria Universului | |
Structura Universului | |
Concepte teoretice | |
Experimente | |
Portal: Astronomie |