Реликтовое излучение

Рели́ктовое излуче́ние (космическое микроволновое фоновое излучение; англ. cosmic microwave background, CMB), космическое электромагнитное излучение, имеющее спектр абсолютно чёрного тела с температурой $T=2,\!725\ К$. Даёт основной вклад в интенсивность фонового излучения Вселенной в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн; характеризуется высокой степенью изотропии (интенсивность одинакова во всех направлениях с точностью 10^–5). Открытие реликтового излучения (А. Пензиас, P. В. Вильсон, 1964–1965; Нобелевская премия, 1978) подтвердило теорию горячей Вселенной и стало важным экспериментальным свидетельством в пользу космологической модели Фридмана.

Происхождение и спектр реликтового излучения

Согласно теории горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность и температуру. При $T>10^8\ К$ первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамическом равновесии с излучением. В процессе расширения вещества температура плазмы и излучения падала, и начиная с некоторого момента времени взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения. Пока температура превышала 3000 К, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта событий во Вселенной. При $T\approx3000\ К$ произошла рекомбинация протонов и электронов с образованием водорода, плазма превратилась в нейтральное вещество и Вселенная стала прозрачной для излучения. В ходе последующего расширения температуpa излучения продолжала падать, но чернотельный (планковский) спектр излучения сохранился как реликт, или «память» о раннем периоде эволюции Вселенной (рис. 1).

Рис. 1. Спектр реликтового излучения (точки); погрешность экспериментальных точек увеличена в 400 раз. Сплошная линия – спектр абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К. БРЭ. Т. 20.В современную эпоху энергия фотонов реликтового излучения мала – в 3 тыс. раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов этого излучения очень велико. На каждый барион во Вселенной приходится порядка 10⁹ фотонов реликтового излучения. Плотность числа реликтовых фотонов составляет 415 см^–3.

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение на межзвёздной пыли не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к реликтовому излучению; суммарная энергия этого излучения слишком велика по сравнению с другими видами излучений, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также высокой степенью изотропии доказывается космологическое происхождение реликтового излучения.

Спектр реликтового излучения несёт информацию о тепловой истории Вселенной. Процессы аннигиляции вещества и антивещества, диссипация мелкомасштабных движений материи, испарение первичных чёрных дыр малой массы, распад нестабильных элементарных частиц – т. е. любой физический механизм, приводящий к дополнительному энерговыделению на ранних стадиях расширения Вселенной, – внесёт искажение в планковский спектр реликтового излучения. Вклад в такое искажение даёт и сам процесс рекомбинации, однако число рекомбинационных фотонов крайне мало (порядка 10^–9 от их общего числа). Отклонения спектра реликтового излучения от планковского не превышают сотой доли процента и пока не обнаружены.

Анизотропия реликтового излучения

Анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, имеет дипольный характер. В направлении на точку небесной сферы, расположенную в созвездии Лев, температура реликтового излучения на 3 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (в созвездии Водолей) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно реликтового излучения со скоростью около 370 км/с. Учёт скоростей движения Солнца вокруг центра Галактики и самой Галактики в Местной группе галактик позволяет определить скорость движения Местной группы относительно излучения. Она составляет около 600 км/с.

Компонента анизотропии реликтового излучения, связанная с движением Галактики относительно этого излучения, случайна, и её нельзя предсказать из модельных соображений. Космологическая анизотропия излучения более сложно зависит от ориентации на небесной сфере, однако она не зависит от частоты. Космологическая анизотропия излучения с амплитудой 10^–5 на угловом масштабе 10° обнаружена в 1992 г., на субградусных масштабах – в 2000 г. Важные исследования анизотропии реликтового излучения были проведены с помощью космической обсерватории «Планк» в 2009–2013 гг. Это позволило уточнить данные по геометрии Вселенной, доказать существование материи небарионной природы и с точностью около 1% определить значения основных космологических параметров.

Рис. 2. Карта анизотропии температуры реликтового излучения на небесной сфере, показывающая отклонения температуры в разных направлениях от среднего значения. Составлена по результатам анализа данных космической обсерватории «Планк». Вычтен вклад Галактики, диапазон отклонений составляет от –300 до 300 мкК. Синий цвет – отрицательные отклонения, красный – положительные. Planck Collaboration. Planck 2015 results, A&A 594, A1, 2016 (Fig. 9). © ESA and the Planck CollaborationРаспределение температуры реликтового излучения на небесной сфере (рис. 2) свидетельствует о квазиоднородном распределении вещества и гравитационного поля в ранней Вселенной. Это означает, что геометрия Вселенной описывалась слабовозмущённой моделью Фридмана (квазифридмановской моделью), причём главной модой возмущений, «отпечатанной» в анизотропии реликтового излучения, является растущая адиабатическая ветвь неоднородностей плотности, которая имела случайное (гауссово) распределение в пространстве и характерный спектр с амплитудой $\Delta T/T\sim10^{-5}$ и модуляционной компонентой, связанной со звуковыми колебаниями барионов в дорекомбинационной Вселенной (сахаровские осцилляции).

Задолго до открытия анизотропии реликтового излучения теоретически было предсказано рождение таких космологических неоднородностей из квантовых флуктуаций плотности под действием быстропеременного гравитационного поля в ранней Вселенной (параметрическое усиление, или квантово-гравитационное рождение возмущений). Далее эти малые неоднородности плотности росли из-за гравитационной неустойчивости в ходе расширения Вселенной. Если знать, каковы были амплитуды неоднородности вещества в момент рекомбинации, можно установить, за какое время они могли вырасти до единицы, после чего области с повышенной плотностью выделились из общего расширяющегося фона и дали начало галактикам, группам и скоплениям галактик и всей наблюдаемой крупномасштабной структуре Вселенной. Дать информацию об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь реликтовое излучение. Поскольку до рекомбинации излучение было жёстко связано с барионным веществом (фотоны рассеивались на электронах, а те были «привязаны» к протонам через кулоновское взаимодействие), то неоднородности в пространственном распределении вещества приводили к неоднородностям плотности энергии излучения, т. е. к различию температуры излучения в разных по плотности областях Вселенной. После рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, а реликтовое излучение сохранило всю информацию о неоднородностях плотности барионов во Вселенной в период рекомбинации.

В конце 20 – начале 21 вв. было проведено несколько экспериментов («Реликт-1», COBE, BOOMERanG, MAXIMA, WMAP, «Планк»), в ходе которых проводилось исследование космологической анизотропии реликтового излучения. В части из них («Реликт-1», COBE, WMAP, «Планк») экспериментальные комплексы были установлены на космических аппаратах, длительность миссий при этом составляла несколько лет, в остальных – на баллонах, высота подъёма над земной поверхностью была около 40 тыс. км, а длительность – всего несколько недель. За подтверждение планковской формы спектра и открытие анизотропии реликтового излучения Дж. Мазеру и Дж. Смуту присуждена Нобелевская премия по физике (2006).

Угловая анизотропия реликтового излучения может быть разложена на отдельные гармоники с помощью присоединённых полиномов Лежандра, что позволяет получить амплитуду анизотропии на различных угловых масштабах – от 90° до угловых минут; минимальное ограничение связано с угловым разрешением приёмников излучения. Вид полученной кривой даёт возможность восстановить значения важнейших космологических параметров. Повышение точности измерения космологических параметров (в том числе с помощью данных по анизотропии реликтового излучения) и расширение экспериментальной базы наблюдательной космологии привело на рубеже 20–21 вв. к появлению Стандартной космологической модели.

Анизотропия реликтового излучения может быть вызвана не только наличием флуктуаций в распределении вещества, но и первичными гравитационными волнами, также рождающимися параметрическим образом в ходе инфляционной стадии расширения Вселенной. В настоящее время имеется лишь верхний предел (около 0,1) отношения вкладов гравитационных волн и возмущений плотности в крупномасштабную анизотропию реликтового излучения.

Поляризация реликтового излучения

Реликтовое излучение частично поляризовано, и этот эффект может быть измерен. Поляризация реликтового излучения возникает из-за рассеяния электромагнитных волн на свободных электронах космической плазмы, вследствие чего направление вектора напряжённости электрического поля (псевдовектор поляризации) оказывается ортогональным плоскости, в которой находились волновые векторы падающей и рассеянной волн. В случае строго изотропного фонового излучения поляризация не могла бы возникнуть в силу симметрии. Однако в реальной Вселенной потоки реликтовых фотонов анизотропны из-за наличия космологических возмущений. В результате степень поляризации составляет около 10% от степени анизотропии, т. е. величину $\Delta T/T\sim10^{-6}$.

В силу малости эффекта задача детектирования поляризации реликтового излучения до конца пока не решена. Надёжно измерена только Е-мода поляризации, связанная исключительно с возмущениями плотности и преимущественно с электронами эпохи реионизации вещества. Если «пятно» (горячее или холодное) на карте анизотропии реликтового излучения вызвано избытком или дефицитом плотности вещества, то псевдовекторы, выстроенные на окружности вокруг «пятна», будут направлены вдоль радиуса этой окружности. Но если «пятно» вызвано влиянием гравитационной волны, то псевдовекторы выстроятся по касательной к окружности. Это означает, что поляризация, вызванная возмущениями плотности, имеет Е-компоненту, а поляризация, вызванная гравитационными волнами, обладает как Е-, так и В-модой. Таким образом, обнаружение В-моды стало бы и обнаружением космологических гравитационных волн, что дало бы важную информацию о параметрах Большого взрыва.

В 2014 г. международной группой учёных, проводивших исследования по поиску поляризации реликтового излучения в рамках проекта BICEP-2, была опубликована статья, посвященная обнаружению В-моды. Однако последующий анализ, проведённый с использованием данных обсерватории «Планк» и при участии учёных, входящих в научную коллаборацию «Планк», показал, что сигнал, обнаруженный BICEP-2, обусловлен намагниченной галактической пылью, т. е. не связан с космологическими гравитационными волнами.