Mikrovolnovoe fonovoe izluchenie (reliktovoe izluchenie)

Soglasno modeli goryachei Vselennoi, veshestvo rasshiryayusheisya Vselennoi imelo v proshlom namnogo bolee vysokuyu plotnost', chem seichas, i chrezvychaino vysokuyu temp-ru. Pri T > 10⁸ K pervichnaya plazma, sostoyavshaya iz protonov, ionov geliya i elektronov, nepreryvno izluchayushih, rasseivayushih i pogloshayushih fotony, nahodilas' v polnom termodinamicheskom ravnovesii s izlucheniem. V hode posleduyushego rasshireniya Vselennoi temp-ra plazmy i izlucheniya padala. Vzaimodeistvie chastic s fotonami uzhe ne uspevalo za harakternoe vremya rasshireniya zametno vliyat' na spektr izlucheniya (opticheskaya tolsha Vselennoi po tormoznomu izlucheniyu k etomu vremeni stala mnogo men'she edinicy). Odnako dazhe pri polnom otsutstvii vzaimodeistviya izlucheniya s veshestvom v hode rasshireniya Vselennoi chernotel'nyi spektr izlucheniya ostaetsya chernotel'nym, umen'shaetsya lish' temp-ra izlucheniya. Poka temp-ra prevyshala 4000 K, pervichnoe veshestvo bylo polnost'yu ionizovano, probeg fotonov ot odnogo akta rasseyaniya do dr. byl mnogo men'she gorizonta Vselennoi. Pri 4000 K proizoshla rekombinaciya protonov i elektronov, plazma prevratilas' v smes' neitral'nyh atomov vodoroda i geliya, Vselennaya stala polnost'yu prozrachnoi dlya izlucheniya. V hode ee dal'neishego rasshireniya temp-ra izlucheniya prodolzhala padat', no chernotel'nyi harakter izlucheniya sohranilsya kak relikt, kak "pamyat'" o rannem periode evolyucii mira. Eto izluchenie obnaruzhili snachala na volne 7,35 sm, a zatem i na dr. volnah (ot 0,6 mm do 50 sm).

Temp-ra M. f. i. s tochnost'yu do 10% okazalas' ravnoi 2,7 K. Sr. energiya fotonov etogo izlucheniya kraine mala - v 3000 raz men'she energii fotonov vidimogo sveta, no chislo fotonov M. f. i. ochen' veliko. Na kazhdyi atom vo Vselennoi prihoditsya ~ 10⁹ fotonov M. f. i. (v srednem 400-500 fotonov v 1 sm³).

Ris. 1. Vverhu - spektr mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya [intensivnost', erg/(smGc)]. Eksperimental'nye tochki naneseny s ukazaniem pogreshnostei izmerenii (otrezkami u tochek). Tochki CN, SN sootvetstvuyut rezul'tatam opredeleniya verhnei granicy (pokazana strelkoi) temperatury izlucheniya po naselennosti urovnei sootvetstvuyushih mezhzvezdnyh molekul. Vnizu - dannye izmerenii temperatury mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya na razlichnyh dlinah voln. Otrezki pryamyh ukazyvayut pogreshnosti izmerenii.

Naryadu s pryamym metodom opredeleniya temp-ry M. f. i. - po krivoi raspredeleniya energii v spektre izlucheniya (sm. Planka zakon izlucheniya), sushestvuet takzhe kosvennyi metod - po naselennosti nizhnih urovnei energii molekul v mezhzvezdnoi srede. Pri pogloshenii fotona M. f. i. molekula perehodit iz osn. sostoyaniya v vozbuzhdennoe. Chem vyshe temp-ra izlucheniya, tem vyshe plotnost' fotonov s energiei, dostatochnoi dlya vozbuzhdeniya molekul, i tem bol'shaya ih dolya nahoditsya na vozbuzhdennom urovne. Po kolichestvu vozbuzhdennyh molekul (naselennosti urovnei) mozhno sudit' o temp-re vozbuzhdayushego izlucheniya. Tak, nablyudeniya optich. linii poglosheniya mezhzvezdnogo ciana (CN) pokazyvayut, chto ego nizhnie urovni energii naseleny tak, kak budto molekuly CN nahodyatsya v pole trehgradusnogo chernotel'nogo izlucheniya. Etot fakt byl ustanovlen (no ne ponyat v polnoi mere) eshe v 1941 g., zadolgo do obnaruzheniya M. f. i. pryamymi nablyudeniyami.

Ni zvezdy i radiogalaktiki, ni goryachii mezhgalaktich. gaz, ni pereizluchenie vidimogo sveta mezhzvezdnoi pyl'yu ne mogut dat' izlucheniya, priblizhayushegosya po sv-vam k M. f. i.: summarnaya energiya etogo izlucheniya slishkom velika, i spektr ego ne pohozh ni na spektr zvezd, ni na spektr radioistochnikov (ris. 1). Etim, a takzhe prakticheski polnym otsutstviem fluktuacii intensivnosti po nebesnoi sfere (melkomasshtabnyh uglovyh fluktuacii) dokazyvaetsya kosmologich., reliktovoe proishozhdenie M. f. i.

Fluktuacii M. f. i.
Obnaruzhenie nebol'shih razlichii v intensivnosti M. f. i., prinimaemogo ot raznyh uchastkov nebesnoi sfery, pozvolilo by sdelat' ryad vyvodov o haraktere pervichnyh vozmushenii v veshestve, privedshih v dal'neishem k obrazovaniyu galaktik i skoplenii galaktik. Sovremennye galaktiki i ih skopleniya obrazovalis' v rezul'tate rosta neznachitel'nyh po amplitude neodnorodnostei plotnosti veshestva, sushestvovavshih do rekombinacii vodoroda vo Vselennoi. Dlya lyuboi kosmologich. modeli mozhno naiti zakon rosta amplitudy neodnorodnostei v hode rasshireniya Vselennoi. Esli znat', kakovy byli amplitudy neodnorodnosti veshestva v moment rekombinacii, mozhno ustanovit', za kakoe vremya oni mogli vyrasti i stat' poryadka edinicy. Posle etogo oblasti s plotnost'yu, znachitel'no prevyshayushei srednyuyu, dolzhny byli vydelit'sya iz obshego rasshiryayushegosya fona i dat' nachalo galaktikam i ih skopleniyam. "Rasskazat'" ob amplitude nachal'nyh neodnorodnostei plotnosti v moment rekombinacii mozhet lish' reliktovoe izluchenie. Poskol'ku do rekombinacii izluchenie bylo zhestko svyazano s veshestvom (elektrony rasseivali fotony), to neodnorodnosti v prostranstvennom raspredelenii veshestva privodili k neodnorodnostyam plotnosti energii izlucheniya, t. e. k razlichiyu temp-ry izlucheniya v raznyh po plotnosti oblastyah Vselennoi. Kogda posle rekombinacii veshestvo perestalo vzaimodeistvovat' s izlucheniem i stalo dlya nego prozrachnym, M. f. i. dolzhno bylo sohranit' vsyu informaciyu o neodnorodpostyah plotnosti vo Vselennoi v period rekombinacii. Esli neodnorodnosti sushestvovali, to temp-ra M. f. i. dolzhna fluktuirovat', zaviset' ot napravleniya nablyudeniya. Odnako eksperimenty po obnaruzheniyu ozhidaemyh fluktuacii poka ne obladayut dostatochno vysokoi tochnost'yu. Oni dayut lish' verhnie predely znachenii fluktuacii. V malyh uglovyh masshtabah (ot odnoi uglovoi minuty do shesti gradusov dugi) fluktuacii ne prevyshayut 10^-4 K. Poiski fluktuacii M. f. i. oslozhnyayutsya takzhe tem, chto vklad vo fluktuacii fona dayut diskretnye kosmich. radioistochniki, fluktuiruet izluchenie atmosfery Zemli i t. d. Eksperimenty v bol'shih uglovyh masshtabah takzhe pokazali, chto temp-ra M. f. i. prakticheski ne zavisit ot napravleniya nablyudeniya: otkloneniya ne prevyshayut K. Poluchennye dannye pozvolili snizit' ocenku stepeni anizotropii rasshireniya Vselennoi v 100 raz po sravneniyu s ocenkoi po dannym pryamyh nablyudenii "razbegayushihsya" galaktik.

M. f. i. kak "novyi efir".
M. f. i. izotropno lish' v sisteme koordinat, svyazannoi s "razbegayushimisya" galaktikami, v t.n. soputstvuyushei sisteme otscheta (eta sistema rasshiryaetsya vmeste s Vselennoi). V lyuboi dr. sisteme koordinat intensivnost' izlucheniya zavisit ot napravleniya. Etot fakt otkryvaet vozmozhnost' izmereniya skorosti dvizheniya Solnca otnositel'no sistemy koordinat, svyazannoi s M. f. i. Deistvitel'no, v silu Doplera, effekta fotony, rasprostranyayushiesya navstrechu dvizhushemusya nablyudatelyu, imeyut bolee vysokuyu energiyu, nezheli dogonyayushie ego, nesmotrya na to, chto v sisteme, svyazannoi s M. f. i., ih energii ravny. Poetomu i temp-ra izlucheniya dlya takogo nablyudatelya okazyvaetsya zavisyashei ot napravleniya: , gde T₀ - sr. po nebu temp-ra izlucheniya, v - skorost' nablyudatelya, - ugol mezhdu vektorom skorosti i napravleniem nablyudeniya.

Dipol'naya anizotropiya reliktovogo izlucheniya, svyazannaya s dvizheniem Solnechnoi sistemy otnositel'no polya etogo izlucheniya, k nastoyashemu vremeni tverdo ustanovlena (ris. 2): v napravlenii na sozvezdie L'va temp-ra M. f. i. na 3,5 mK prevyshaet srednyuyu, a v protivopolozhnom napravlenii (sozvezdie Vodoleya) na stol'ko zhe nizhe srednei. Sledovatel'no, Solnce (vmeste s Zemlei) dvizhetsya otnositel'no M. f. i. so skorost'yu ok. 400 km/s po napravleniyu k sozvezdiyu L'va. Tochnost' nablyudenii stol' vysoka, chto eksperimentatory fiksiruyut skorost' dvizheniya Zemli vokrug Solnca, sostavlyayushuyu 30 km/s. Uchet skorosti dvizheniya Solnca vokrug centra Galaktiki pozvolyaet opredelit' skorost' dvizheniya Galaktiki otnositel'no M. f. i. Ona sostavlyaet 600 km/s. V principe, sushestvuet metod, pozvolyayushii opredelit' skorosti bogatyh skoplenii galaktik otnositel'no reliktovogo izlucheniya (sm. Skopleniya galaktik).

Spektr M. f. i.
Na ris. 1 privedeny sushestvuyushie eksperimental'nye dannye o M. f. i. i plankovskaya krivaya raspredeleniya energii v spektre ravnovesnogo izlucheniya absolyutno chernogo tela, imeyushego temp-ru 2,7 K. Polozheniya eksperimental'nyh tochek horosho soglasuyutsya s teoretich. krivoi. Eto sluzhit veskim podtverzhdeniem modeli goryachei Vselennoi.

Otmetim, chto v diapazone santimetrovyh i decimetrovyh voln izmereniya temp-ry M. f. i. vozmozhny s poverhnosti Zemli pri pomoshi radioteleskopov. V millimetrovom i osobenno v submillimetrovom diapazonah izluchenie atmosfery prepyatstvuet nablyudeniyam M. f. i., poetomu izmereniya provodyatsya shirokopolosnymi bolometrami, ustanovlennymi na vozdushnyh sharah (ballonah) i raketah. Cennye dannye o spektre M. f. i. v millimetrovoi oblasti polucheny iz nablyudenii linii poglosheniya molekul mezhzvezdnoi sredy v spektrah goryachih zvezd. Vyyasnilos', chto osn. vklad v plotnost' energii M. f. i. daet izluchenie s ot 6 do 0,6 mm, temp-ra k-rogo blizka k 3 K. V etom diapazone dlin voln plotnost' energii M. f. i. =0,25 eV/sm³.

Ris. 2. Raspredelenie yarkosti mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya na nebesnoi sfere. Cifry na risunke harakterizuyut otkloneniya ot srednei po vsei sfere temperatury mikrovolnovogo fona v mK.

Mnogie iz kosmologich. teorii i teorii obrazovaniya galaktik, k-rye rassmatrivayut processy annigilyacii veshestva i antiveshestva, dissipaciyu razvitoi turbulentnosti, krupnomasshtabnyh potencial'nyh dvizhenii, isparenie pervichnyh chernyh dyr maloi massy, raspad nestabil'nyh elementarnyh chastic, predskazyvayut znachit. energovydelenie na rannih stadiyah rasshireniya Vselennoi. V to zhe vremya lyuboe vydelenie energii na etape, kogda temp-ra M. f. i. menyalas' ot do 3 K, dolzhno bylo zametno iskazit' ego chernotel'nyi spektr. T.o., spektr M. f. i. neset informaciyu o teplovoi istorii Vselennoi. Bolee togo, eta informaciya okazyvaetsya differencirovannoi: vydelenie energii na kazhdom iz treh etapov rasshireniya ( K; 3< T <4000 K) vyzyvaet spepifich. iskazhenie spektra. Na pervom etape sil'nee vsego iskazhaetsya spektr v dlinnovolnovoi oblasti, a na vtorom i tret'em - v korotkovolnovoi. Svoi vklad v iskazhenie spektra v korotkovolnovoi oblasti vnosit uzhe sam process rekombinacii. Fotony, ispuskaemye pri rekombinacii, obladayut energiei ok. 10 eV, chto v desyatki raz prevyshaet sr. energiyu fotonov ravnovesnogo izlucheniya toi epohi (pri 4000 K). Takih energichnyh fotonov kraine malo (~10^-9 ot obshego ih chisla). Poetomu rekombinacionnoe izluchenie, voznikayushee pri obrazovanii neitral'nyh atomov, dolzhno bylo sil'no iskazit' spektr M. f. i. na volnah 250 mkm.

Eshe odin nagrev veshestvo moglo ispytat' pri obrazovanii galaktik. Spektr M. f. i. pri etom takzhe mog izmenit'sya, poskol'ku rasseyanie reliktovyh fotonov na goryachih elektronah uvelichivaet energiyu fotonov (sm. Komptonovskoe rasseyanie). Osobenno sil'nye izmeneniya proishodyat v etom sluchae v korotkovolnovoi oblasti spektra. Odna iz krivyh, demonstriruyushih vozmozhnoe iskazhenie spektra M. f. i., privedena na ris. 1 (shtrihovaya krivaya). Imeyushiesya izmeneniya v spektre M. f. i. pokazali, chto vtorichnyi razogrev veshestva vo Vselennoi proizoshel mnogo pozzhe rekombinacii.

M. f. i. i kosmicheskie luchi.

Kosmich. luchi (protony i yadra vysokih energii; ul'trarelyativnstskie elektrony, opredelyayushie radioizluchenie nashei i dr. galaktik v metrovom diapazone) nesut informaciyu o gigantskih vzryvnyh processah v zvezdah i yadrah galaktik, pri k-ryh oni rozhdayutsya. Kak okazalos', vremya zhizni chastic vysokih energii vo Vselennoi vo mnogom zavisit ot fotonov M. f. i., obladayushih maloi energiei, no chrezvychaino mnogochislennyh - ih v milliard raz bol'she, chem atomov vo Vselennoi (eto sootnoshenie sohranyaetsya v processe rasshireniya Vselennoi). Pri stolknovenii ul'trarelyativistskih elektronov kosmich. luchei s fotonami M. f. i. proishodit pereraspredelenie energii i impul'sa. Energiya fotona vozrastaet vo mnogo raz, i radiofoton prevrashaetsya v foton rentg. izlucheniya, energiya zhe elektrona menyaetsya neznachitel'no. Poskol'ku etot process povtoryaetsya mnogokratno, elektron postepenno teryaet vsyu energiyu. Nablyudaemoe so sputnikov i raket rentg. fonovoe izluchenie, po-vidimomu, chastichno obyazano svoim proishozhdeniem etomu processu.

Protony i yadra sverhvysokih energii takzhe podverzheny vozdeistviyu fotonov M. f. i.: pri stolknoveniyah s nimi yadra rassheplyayutsya, a soudareniya s protonami privodyat k rozhdeniyu novyh chastic (elektron-pozitronnyh par, -mezonov i t.d.). V rezul'tate energiya protonov bystro umen'shaetsya do porogovoi, nizhe k-roi rozhdenie chastic stanovitsya nevozmozhnym po zakonam sohraneniya energii i impul'sa. Imenno s etimi processami svyazyvayut praktich. otsutstvie v kosmich. luchah chastic s energiei 10²⁰ eV, a takzhe maloe kolichestvo tyazhelyh yader.

Lit.:
Zel'dovich Ya.B., "Goryachaya" model' Vselennoi, UFN, 1966, t. 89, v. 4, s. 647; Vainberg S., Pervye tri minuty, per. s angl., M., 1981.

(R.A. Syunyaev)