Изменение температуры реликтового излучения со временем

Реликтовое излучение

Астрономические наблюдения показывают, что, помимо отдельных источников излучения в виде звезд и галактик, во Вселенной есть излучение, неразделяемое на отдельные источники — фоновое излучение. Оно наблюдается во всех диапазонах электромагнитного спектра. В основном фоновое излучение есть сумма свечения различных источников (галактик, квазаров, межгалактического газа), настолько далеких, что современные средства астрономических наблюдений пока не могут разделить их суммарное излучение на отдельные слагаемые (вспомним, что и Млечный Путь вплоть до XVII века считался сплошной полосой света, и только в 1610 году Галилео Галилей, рассмотрев его в телескоп, обнаружил, что он состоит из отдельных звезд).

В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили фоновое излучение в микроволновом диапазоне (длина волны от 300 мкм до 50 см, частота от 6·10⁸ Гц до 10¹² Гц). На этих частотах электромагнитных волн просто нет источников, которые могли бы дать фоновое излучение такой яркости. Это излучение очень однородно: с точностью до тысячных долей процента его интенсивность постоянна по всему небу. Заметим, что несколько процентов того “снега”, который возникает на экране телевизора на ненастроенном канале, обусловлены как раз микроволновым фоновым излучением.

Главным свойством микроволнового фонового излучения является его спектр (т.е. распределение интенсивности в зависимости от частоты или длины волны), показанный на рис. 5.1.2. Спектр этого излучения в точности ложится на теоретическую кривую, хорошо известную физике — кривую Планка. Спектр такого типа носит название спектра излучения абсолютно черного тела. Такой спектр характерен для полностью непрозрачного нагретого вещества. Температура микроволнового излучения составляет около 3 К (точнее, 2.728 К). Сложением излучений каких-либо источников невозможно добиться того, чтобы получился планковский спектр. Наиболее надежное подтверждение планковского характера спектра реликтового излучения было получено с помощью американского спутника COBE (Cosmic Background Explorer, Исследователь космического фона) в 1992 году.

Рис. 5.1.2. Спектр реликтового излучения (по данным космического аппарата COBE). По вертикальной оси отложена интенсивность излучения в единицах Ян/стерад (1 Янский = 10-26 Дж/м2). По горизонтальной оси - частота, деленная на скорость света. Сплошной линией показан спектр излучения абсолютно черного тела при температуре T=2.7277 K. Вертикальные отрезки показывают ошибки измерения интенсивности излучения с борта COBE, увеличенные в 400 раз.

Уравнение планковской кривой имеет вид

.

(5.1)

Здесь ρ_ν — спектральная плотность излучения (энергия излучения, приходящаяся на единичный объем и на единичный интервал частот), ν — частота, h — постоянная Планка, c — скорость света, k — постоянная Больцмана, T — температура излучения.

Микроволновое излучение Вселенной иначе называется реликтовым. Такое название связано с тем, что оно несет в себе информацию о физических условиях, царивших во Вселенной тогда, когда еще не успели образоваться звезды и галактики. Сам факт существования этого излучения говорит о том, что в прошлом свойства Вселенной были существенно иными, чем в настоящее время. Для обоснования этого вывода приведем следующую логическую цепочку.

1. Поскольку спектр реликтового излучения является спектром абсолютно черного тела, это излучение формируется полностью непрозрачным нагретым телом.
2. Поскольку это излучение равномерно приходит к нам со всех сторон, мы со всех сторон окружены каким-то непрозрачным телом.
3. Однако Вселенная — в современном ее виде — почти полностью прозрачна для радиоволн в микроволновом (миллиметровом и сантиметровом) диапазоне. Стало быть, вещество, испускающее это излучение, отстоит от нас намного дальше, чем любые наблюдаемые объекты — галактики, квазары и т.д. Вспоминая принцип “чем дальше в пространстве — тем глубже во времени”, мы приходим к выводу, что Вселенная была полностью непрозрачной в глубоком прошлом, когда еще не образовались звезды и галактики; а раз непрозрачной, значит, очень плотной. Микроволновое фоновое излучение является реликтом, оставшимся от той далекой эпохи.

Отметим, что почти идеальная однородность этого излучения — лучший довод в пользу космологического принципа, в пользу однородности Вселенной на больших масштабах.

Приведем некоторые количественные данные о реликтовом излучении. По закону Вина, температура чернотельного излучения с длиной волны, на которую приходится максимум интенсивности λ_max, вычисляется по формуле

Для реликтового излучения λ_max=0.1 см. Средняя энергия кванта этого излучения примерно 1.05·10^-22 Дж. В настоящее время в каждом кубическом метре находится примерно 4·10⁸ реликтовых фотонов. Это примерно в миллиард раз больше, чем частиц обычного вещества (точнее, протонов; имеется в виду, конечно, средняя плотность).

Изменение температуры реликтового излучения со временем

Для обоснования предположения Гамова об изначально горячем состоянии Вселенной мы привлечем данные о реликтовом излучении. Попытаемся понять, какой была его температура в прошлом. Другими словами, выясним, какую температуру реликтового излучения зафиксировал бы наблюдатель в галактике с красным смещением z. Для этого используем формулу (2.1) λ=λ₀(1+z), показывающую зависимость длины волны любого (в том числе, реликтового) излучения, путешествующего в межгалактическом пространстве, от красного смещения z, и закон Вина (5.2) T·λ_max=0.29 K·см. Комбинируя эти формулы, мы находим, что при красном смещении z температура реликтового излучения T была

где T₀=2.728 K - температура в настоящее время (т.е. при z=0). Из этой формулы следует, что раньше температура реликтового излучения была выше, чем сейчас.

Существуют и прямые экспериментальные подтверждения этой закономерности. Группа американских ученых использовала крупнейший в мире телескоп Кек (на Гавайских островах) с зеркалом диаметром 10 метров для получения спектров двух квазаров с красными смещениями z=1.776 и z=1.973. Как выяснили эти ученые, спектральные линии этих объектов показывают, что они облучаются тепловым излучением с температурой 7.4±0.8 К и 7.9±1.1 К соответственно, что находится в прекрасном согласии с температурой реликтового излучения, ожидаемой из формулы (5.3): T(1.776)=7.58 К и T(1.973)=8.11 К. Одновременно, кстати, эти факты дают дополнительный аргумент в пользу того, что микроволновое фоновое излучение приходит к нам из самых глубин Вселенной.

. Георгий Антонович Гамов (1904-1968).

Чем ближе к Большому Взрыву, тем горячее реликтовое излучение. При z~1000 (такое красное смещение соответствует эпохе, отстоящей на 300 тыс. лет от Большого Взрыва) его температура была T~3000 K, причем в каждом кубическом метре находилось около 4·10¹⁷ реликтовых фотонов. Столь мощное излучение должно было ионизовать весь существовавший тогда газ. Итак, в далеком прошлом Вселенной не могло существовать звезд, и все вещество представляло собой плотную горячую непрозрачную плазму.

Именно это утверждение составляет суть теории горячей Вселенной, основы которой заложил выдающийся физик Георгий Антонович Гамов, который родился и получил образование в нашей стране, здесь же стал знаменит как физик, но был вынужден эмигрировать в США в годы сталинских репрессий. Эта теория кратко рассмотрена в настоящем параграфе.

Поиск по сайту: