Внегалактические объекты

Реликтовое излучение

Рели́ктовое излуче́ние (космическое микроволновое фоновое излучение; англ. cosmic microwave background, CMB), космическое электромагнитное излучение, имеющее спектр с температурой T=2, ⁣725 КT=2,\!725\ К. Даёт основной вклад в интенсивность фонового излучения в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн; характеризуется высокой степенью изотропии (интенсивность одинакова во всех направлениях с точностью 10–5). Открытие реликтового излучения (, , 1964–1965; Нобелевская премия, 1978) подтвердило и стало важным экспериментальным свидетельством в пользу .

Происхождение и спектр реликтового излучения

Согласно , вещество имело в прошлом намного более высокую плотность и температуру. При T>108 КT>10^8\ К первичная , состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих , находилась в полном 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, фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта событий во Вселенной. При T3000 КT\approx3000\ К произошла 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 () спектр излучения сохранился как реликт, или «память» о раннем периоде эволюции Вселенной (рис. 1).

Спектр реликтового излученияРис. 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 во Вселенной приходится порядка 109 фотонов реликтового излучения. Плотность числа реликтовых фотонов составляет 415 см–3.

Ни и , ни горячий , ни переизлучение на 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 вещества и антивещества, диссипация мелкомасштабных движений материи, испарение малой массы, распад нестабильных  – 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

, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, имеет дипольный характер. В направлении на точку , расположенную в созвездии , температура реликтового излучения на 3 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (в созвездии ) 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 и самой Галактики в 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 в 2009–2013 гг. Это позволило уточнить данные по геометрии Вселенной, доказать существование материи небарионной природы и с точностью около 1% определить значения основных .

Карта анизотропии температуры реликтового излучения по данным обсерватории «‎Планк»‎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 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 ΔT/T105\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 плотности под действием быстропеременного гравитационного поля в ранней Вселенной (, или квантово-гравитационное рождение возмущений). Далее эти малые неоднородности плотности росли из-за 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 . 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 (, , , , , «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 формы спектра и открытие анизотропии реликтового излучения и присуждена Нобелевская премия по физике (2006).

Угловая анизотропия реликтового излучения может быть разложена на отдельные гармоники с помощью присоединённых , 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 .

Анизотропия реликтового излучения может быть вызвана не только наличием флуктуаций в распределении вещества, но и , также рождающимися параметрическим образом в ходе . 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 , и этот эффект может быть измерен. возникает из-за рассеяния электромагнитных волн на свободных электронах , вследствие чего направление вектора (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 . В результате составляет около 10% от степени анизотропии, т. е. величину ΔT/T106\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 , 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 .

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 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.

  • Ранняя Вселенная
  • Электромагнитные процессы и явления в космосе
  • Атомные процессы и явления в космосе
  • Плазма в природе, космосе и астрофизике
  • Космологические модели и теории
  • Астрофизические процессы и явления