ЧТО ТАКОЕ КОСМИЧЕСКИЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ФОН?

Send

В течение тысячелетий человек созерцал Вселенную и стремился определить ее истинную степень. К 20-му веку ученые начали понимать, насколько огромна (и, возможно, даже бесконечна) вселенная на самом деле.

И в процессе изучения космоса и глубже во времени космологи обнаружили некоторые действительно удивительные вещи. Например, в 1960-х астрономам стало известно о микроволновом фоновом излучении, которое можно было обнаружить во всех направлениях. Известный как Космический микроволновый фон (CMB), существование этого излучения помогло нам понять, как начиналась Вселенная.

Описание:

CMB - это, по сути, электромагнитное излучение, которое осталось от самой ранней космологической эпохи, которая пронизывает всю Вселенную. Считается, что он образовался примерно через 380 000 лет после Большого взрыва и содержит тонкие признаки того, как образовались первые звезды и галактики. Хотя это излучение невидимо с помощью оптических телескопов, радиотелескопы способны обнаруживать слабый сигнал (или свечение), который является самым сильным в микроволновой области радиоспектра.

CMB виден на расстоянии 13,8 миллиардов световых лет во всех направлениях от Земли, что приводит ученых к выводу, что это истинный возраст Вселенной. Тем не менее, это не показатель истинного масштаба Вселенной. Учитывая, что пространство находилось в состоянии расширения со времен ранней Вселенной (и расширяется быстрее, чем скорость света), CMB - это просто самое далекое время, которое мы способны видеть.

Отношение к Большому взрыву:

CMB занимает центральное место в теории Большого взрыва и современных космологических моделях (таких как модель Lambda-CDM). Как гласит теория, когда Вселенная родилась 13,8 миллиардов лет назад, вся материя была сконденсирована в одну точку бесконечной плотности и экстремального тепла. Из-за сильной жары и плотности вещества состояние Вселенной было крайне нестабильным. Внезапно эта точка начала расширяться, и Вселенная, как мы ее знаем, началась.

В это время пространство было заполнено равномерным свечением раскаленных частиц плазмы, состоящих из протонов, нейтронов, электронов и фотонов (света). Между 380 000 и 150 миллионами лет после Большого взрыва фотоны постоянно взаимодействовали со свободными электронами и не могли путешествовать на большие расстояния. Следовательно, почему эта эпоха в разговорной речи упоминается как «темные века».

Поскольку Вселенная продолжала расширяться, она остыла до точки, где электроны смогли объединиться с протонами, чтобы сформировать атомы водорода (иначе. Период рекомбинации). В отсутствие свободных электронов фотоны могли беспрепятственно перемещаться по Вселенной, и она стала выглядеть так, как сегодня (то есть прозрачна и пронизана светом). За прошедшие миллиарды лет Вселенная продолжала сильно расширяться и охлаждаться.

Из-за расширения пространства длины волн фотонов выросли (стали «смещенными в красную область») примерно до 1 миллиметра, а их эффективная температура снизилась чуть выше абсолютного нуля - 2,7 Кельвина (-270 ° C; -454 ° F). Эти фотоны заполняют Космический журнал и выглядят как фоновое свечение, которое можно обнаружить на дальнем инфракрасном и радиоволнах.

История обучения:

Существование CMB было впервые теоретизировано украинско-американским физиком Джорджем Гамовым вместе со своими учениками Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году. Эта теория была основана на их исследованиях последствий нуклеосинтеза легких элементов (водорода, гелия и литий) во время очень ранней Вселенной. По сути, они поняли, что для того, чтобы синтезировать ядра этих элементов, ранняя Вселенная должна была быть чрезвычайно горячей.

Они также предположили, что оставшееся излучение этого чрезвычайно жаркого периода проникает во Вселенную и может быть обнаружено. Из-за расширения Вселенной они подсчитали, что это фоновое излучение будет иметь низкую температуру 5 К (-268 ° C; -450 ° F) - всего пять градусов выше абсолютного нуля - что соответствует микроволновым длинам волн. Лишь в 1964 году были обнаружены первые доказательства наличия CMB.

Это стало результатом того, что американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон использовали радиометр Дике, который они намеревались использовать для экспериментов по радиоастрономии и спутниковой связи. Однако, выполняя свое первое измерение, они заметили превышение температуры антенны 4,2 К, которое они не могли объяснить и могли объяснить только наличием фонового излучения. За свое открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.

Первоначально обнаружение CMB было источником раздора между сторонниками различных космологических теорий. Тогда как сторонники теории большого взрыва утверждали, что это было «реликтовое излучение», оставшееся от Большого взрыва, сторонники теории устойчивого состояния утверждали, что это было результатом рассеянного звездного света от далеких галактик. Однако к 1970-м годам появился научный консенсус, который одобрил интерпретацию Большого взрыва.

В течение 1980-х годов наземные приборы устанавливали все более строгие ограничения на разницу температур CMB. Среди них советская миссия RELIKT-1 на борту спутника Prognoz 9 (запущенная в июле 1983 года) и миссия NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (результаты которой были опубликованы в 1992 году). За свою работу команда COBE получила Нобелевскую премию по физике в 2006 году.

COBE также обнаружил первый акустический пик CMB - акустические колебания в плазме, которые соответствуют крупномасштабным изменениям плотности в ранней Вселенной, вызванным гравитационными неустойчивостями. В течение следующего десятилетия последовало множество экспериментов, которые состояли из наземных и аэростатных экспериментов, целью которых было обеспечить более точные измерения первого акустического пика.

Второй акустический пик был предварительно обнаружен в нескольких экспериментах, но не был окончательно обнаружен до тех пор, пока в 2001 году не был развернут Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP). Между 2001 и 2010 годами, когда миссия была завершена, WMAP также обнаружил третий пик. С 2010 года несколько миссий контролируют CMB, чтобы обеспечить улучшенные измерения поляризации и небольших изменений плотности.

К ним относятся наземные телескопы, такие как QUEST at DASI (QUaD) и телескоп Южного полюса на станции Южный полюс Амудсен-Скотт, а также телескоп Atacama Cosmology Telescope и Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) в Чили. Между тем, Европейское космическое агентство Планка космический корабль продолжает измерять CMB из космоса.

Будущее CMB:

Согласно различным космологическим теориям, Вселенная может в какой-то момент перестать расширяться и начать движение в обратном направлении, завершаясь коллапсом, за которым следует еще один Большой Взрыв. теория Большого Хруста. В другом сценарии, известном как Большой Разрыв, расширение Вселенной в конечном итоге приведет к разрыву всей материи и пространства-времени.

Если ни один из этих сценариев не является правильным, и Вселенная продолжала расширяться с ускоряющейся скоростью, CMB продолжит красное смещение до точки, где оно больше не будет обнаружено. В этот момент его обгонит первый звездный свет, созданный во Вселенной, а затем поля фонового излучения, создаваемые предполагаемыми процессами, произойдут в будущем Вселенной.

Мы написали много интересных статей о космическом микроволновом фоне здесь, в журнале Space. Вот что такое космическое микроволновое фоновое излучение? Теория большого взрыва: эволюция нашей вселенной, что такое космическая инфляция? Стремление понять самую раннюю вселенную, открытие истории: новые результаты дают прямое подтверждение космической инфляции, и как быстро расширяется Вселенная? Хаббл и Гайя объединяются для проведения самых точных измерений на сегодняшний день.

Для получения дополнительной информации посетите страницу миссии NASAP НАСА и страницу миссии Planck ЕКА.

Astronomy Cast также имеет информацию по этому вопросу. Послушайте здесь: Эпизод 5 - Большой взрыв и космический микроволновый фон

Источники: