CMB zračenje

Ekstragalaktičko mikrotalasno pozadinsko zračenje javlja se u frekvencijskom opsegu od 500 MHz do 500 GHz, što odgovara talasnim dužinama od 60 cm do 0,6 mm. Ovo pozadinsko zračenje nosi informacije o procesima koji su se odvijali u svemiru prije formiranja galaksija, kvazara i drugih objekata. Ovo zračenje, nazvano relikt, otkriveno je 1965. godine, iako ga je još 40-ih godina predvidio Georgy Gamow, a astronomi su ga proučavali decenijama.

U svemiru koji se širi, prosječna gustina materije ovisi o vremenu – u prošlosti je bila veća. Međutim, tokom širenja ne mijenja se samo gustoća, već i toplinska energija materije, što znači da je u ranoj fazi širenja Univerzum bio ne samo gust, već i vruć. Kao posljedica toga, u naše vrijeme bi trebalo postojati zaostalo zračenje čiji je spektar isti kao i spektar apsolutno čvrstog tijela, a to zračenje bi trebalo biti visoko izotropno. Godine 1964. A.A. Penzias i R. Wilson, testirajući osjetljivu radio antenu, otkrili su vrlo slabo pozadinsko mikrovalno zračenje, koje se nikako nisu mogli riješiti. Ispostavilo se da je njegova temperatura bila 2,73 K, što je blizu predviđenoj vrijednosti. Iz eksperimenata na proučavanju izotropije pokazalo se da se izvor mikrovalnog pozadinskog zračenja ne može locirati unutar Galaksije, jer bi se tada morala promatrati koncentracija zračenja prema centru Galaksije. Izvor zračenja takođe nije mogao biti lociran unutar Sunčevog sistema. bi se uočila dnevna varijacija u intenzitetu zračenja. Zbog toga je izvučen zaključak o ekstragalaktičkoj prirodi ovog pozadinskog zračenja. Tako je hipoteza o vrućem svemiru dobila opservacijsku osnovu.

Da bismo razumjeli prirodu CMB-a, potrebno je obratiti se na procese koji su se odvijali u ranim fazama širenja Univerzuma. Hajde da razmotrimo kako su se fizički uslovi u Univerzumu promenili tokom procesa širenja.

Sada svaki kubni centimetar prostora sadrži oko 500 kosmičkih mikrotalasnih pozadinskih fotona, a u tom volumenu je mnogo manje supstance. Budući da je omjer broja fotona i broja bariona u procesu širenja očuvan, ali energija fotona u toku širenja Univerzuma opada s vremenom zbog crvenog pomaka, možemo zaključiti da u nekom trenutku u u prošlosti je gustina energije zračenja bila veća od gustine energije čestica materije. Ovo vrijeme se zove faza zračenja u evoluciji Univerzuma. Stupanj zračenja karakterizirala je jednakost temperature materije i zračenja. U to vrijeme, zračenje je u potpunosti odredilo prirodu širenja Univerzuma. Otprilike milion godina nakon početka širenja Univerzuma, temperatura je pala na nekoliko hiljada stepeni i došlo je do rekombinacije elektrona, koji su ranije bili slobodne čestice, sa protonima i jezgrima helijuma, tj. formiranje atoma. Univerzum je postao transparentan za zračenje, a to je zračenje koje sada hvatamo i nazivamo reliktom. Istina, od tog vremena, zbog širenja Univerzuma, fotoni su smanjili svoju energiju za oko 100 puta. Slikovito rečeno, kvanti reliktnog zračenja "utisnuli su" eru rekombinacije i nose direktne informacije o dalekoj prošlosti.

Nakon rekombinacije, materija je po prvi put počela samostalno da se razvija, bez obzira na zračenje, i u njoj su se počele pojavljivati ​​zgušnjavanje - embrioni budućih galaksija i njihovih klastera. Zato su eksperimenti na proučavanju svojstava reliktnog zračenja - njegovog spektra i prostornih fluktuacija - toliko važni za naučnike. Njihovi napori nisu bili uzaludni: početkom 90-ih. Ruski svemirski eksperiment "Relikt-2" i američki "Kobe" otkrili su razlike u temperaturi reliktnog zračenja susjednih dijelova neba, a odstupanje od prosječne temperature iznosi samo oko hiljaditi dio procenta. Ove temperaturne varijacije nose informaciju o odstupanju gustine materije od prosečne vrednosti tokom epohe rekombinacije. Nakon rekombinacije, materija je u Univerzumu bila raspoređena gotovo ravnomjerno, a tamo gdje je gustina bila barem malo iznad prosjeka, privlačnost je bila jača. Varijacije gustoće su kasnije dovele do formiranja velikih struktura uočenih u svemiru, jata galaksija i pojedinačnih galaksija. Prema modernim konceptima, prve galaksije su se trebale formirati u epohi koja odgovara crvenim pomacima od 4 do 8.

Postoji li ikakva šansa da se pogleda još dalje u eru koja je prethodila rekombinaciji? Do trenutka rekombinacije, pritisak elektromagnetnog zračenja je uglavnom stvarao gravitaciono polje, koje je usporavalo širenje Univerzuma. U ovoj fazi, temperatura je varirala obrnuto proporcionalno kvadratnom korijenu vremena proteklog od početka ekspanzije. Razmotrimo sukcesivno različite faze širenja ranog Univerzuma.

Na temperaturi od približno 1013 Kelvina, parovi raznih čestica i antičestica su rođeni i poništeni u Univerzumu: protoni, neutroni, mezoni, elektroni, neutrini, itd. Kada je temperatura pala na 5 * 1012 K, gotovo svi protoni i neutroni su anihilirani , pretvarajući se u kvante zračenja; ostale su samo one za koje nije bilo dovoljno antičestica. Upravo od ovih "viška" protona i neutrona uglavnom se sastoji supstanca modernog vidljivog svemira.

Na T= 2*1010 K sveprodorni neutrini su prestali da stupaju u interakciju sa materijom – od tog trenutka je trebalo da ostane „pozadina reliktnog neutrina“, što se može otkriti u toku budućih neutrinskih eksperimenata.

Sve što je rečeno odigralo se na supervisokim temperaturama u prvoj sekundi nakon početka širenja Univerzuma. Nekoliko sekundi nakon trenutka "rađanja" Univerzuma, započela je era primarne nukleosinteze, kada su nastala jezgra deuterijuma, helijuma, litijuma i berilija. Trajalo je otprilike tri minuta, a njegov glavni rezultat bilo je formiranje jezgri helijuma (25% mase cjelokupne materije Univerzuma). Preostali elementi, teži od helijuma, činili su zanemarljiv dio supstance - oko 0,01%.

Nakon epohe nukleosinteze i prije epohe rekombinacije (oko 106 godina), došlo je do mirnog širenja i hlađenja Univerzuma, a zatim - stotinama miliona godina nakon početka - pojavile su se prve galaksije i zvijezde.

Poslednjih decenija, razvoj kosmologije i fizike elementarnih čestica omogućio je teorijski razmatranje samog početnog, „superdenznog” perioda širenja Univerzuma. Ispostavilo se da je na samom početku širenja, kada je temperatura bila nevjerovatno visoka (više od 1028 K), Univerzum mogao biti u posebnom stanju u kojem se širio ubrzanjem, a energija po jedinici volumena ostala je konstantna. Ova faza ekspanzije nazvana je inflatornom. Takvo stanje materije moguće je pod jednim uslovom - negativnim pritiskom. Faza ultrabrze inflatorne ekspanzije pokrivala je mali vremenski period: završila se u vremenu od oko 10–36 s. Vjeruje se da se pravo "rađanje" elementarnih čestica materije u obliku u kojem ih sada poznajemo dogodilo neposredno nakon završetka faze inflacije i uzrokovano kolapsom hipotetičkog polja. Nakon toga, širenje svemira je nastavljeno po inerciji.

Hipoteza o inflatornom Univerzumu odgovara na niz važnih pitanja u kosmologiji, koja su se donedavno smatrala neobjašnjivim paradoksima, posebno na pitanje uzroka širenja Univerzuma. Da je u svojoj istoriji Univerzum zaista prošao kroz eru kada je postojao veliki negativni pritisak, onda bi gravitacija neminovno izazvala ne privlačenje, već međusobno odbijanje materijalnih čestica. A to znači da je Univerzum počeo da se širi brzo, eksplozivno. Naravno, model inflatornog Univerzuma je samo hipoteza: čak i indirektna provjera njegovih pozicija zahtijeva takve instrumente, koji trenutno jednostavno još nisu stvoreni. Međutim, ideja o ubrzanom širenju svemira u najranijoj fazi njegove evolucije postala je čvrsto utemeljena u modernoj kozmologiji.

Govoreći o ranom Univerzumu, iznenada smo prebačeni sa najvećih kosmičkih razmera u region mikrosveta, koji je opisan zakonima kvantne mehanike. Fizika elementarnih čestica i supervisokih energija usko je isprepletena u kosmologiji sa fizikom džinovskih astronomskih sistema. Najveći i najmanji se ovdje spajaju jedno s drugim. Ovo je nevjerovatna ljepota našeg svijeta, puna neočekivanih međusobnih veza i dubokog jedinstva.

Manifestacije života na Zemlji su izuzetno raznolike. Život na Zemlji predstavljaju nuklearna i prednuklearna, jednoćelijska i višećelijska bića; višećelijske, zauzvrat, predstavljaju gljive, biljke i životinje. Bilo koje od ovih kraljevstava objedinjuje različite tipove, klase, redove, porodice, rodove, vrste, populacije i pojedince.

U svoj naizgled beskrajnoj raznolikosti živih bića može se razlikovati nekoliko različitih nivoa organizacije živih bića: molekularni, ćelijski, tkivni, organski, ontogenetski, populacijski, vrsta, biogeocenotski, biosferski. Navedeni nivoi su istaknuti radi lakšeg učenja. Ako pokušamo da identifikujemo glavne nivoe, koji odražavaju ne toliko nivoe studija koliko nivoe organizacije života na Zemlji, onda glavni kriterijum za takav odabir treba prepoznati kao prisustvo specifičnih elementarnih, diskretnih struktura i elementarnih fenomeni. Ovakvim pristupom pokazuje se da je potrebno i dovoljno izdvojiti molekularno-genetski, ontogenetski, populacijsko-specifični i biogeocenotski nivo (N.V. Timofeev-Resovsky i drugi).

Molekularno genetski nivo. U proučavanju ovog nivoa, po svemu sudeći, najveća jasnoća je postignuta u definisanju osnovnih pojmova, kao i u identifikaciji elementarnih struktura i pojava. Razvoj kromosomske teorije nasljeđa, analiza procesa mutacije i proučavanje strukture hromozoma, faga i virusa otkrili su glavne karakteristike organizacije elementarnih genetskih struktura i fenomena koji su s njima povezani. Poznato je da su glavne strukture na ovom nivou (kodovi nasljednih informacija koje se prenose s generacije na generaciju) DNK, diferencirana po dužini u elemente koda - trojke azotnih baza koje formiraju gene.

Geni na ovom nivou organizacije života predstavljaju elementarne jedinice. Glavnim elementarnim fenomenima povezanim s genima mogu se smatrati njihove lokalne strukturne promjene (mutacije) i prijenos informacija pohranjenih u njima u unutarćelijske kontrolne sisteme.

Kovarijantna reduplikacija se odvija po principu matriksa razbijanjem vodoničnih veza dvostruke spirale DNK uz učešće enzima DNK polimeraze. Zatim svaki od lanaca za sebe gradi odgovarajuću nit, nakon čega se novi lanci međusobno komplementarno povezuju.Pirimidinske i purinske baze komplementarnih lanaca međusobno se vezuju vodoničnom vezom pomoću DNK polimeraze. Ovaj proces je veoma brz. Dakle, za samosastavljanje DNK Escherichia coli, koji se sastoji od oko 40 hiljada parova baza, potrebno je samo 100 s. Genetske informacije se prenose iz jezgra pomoću mRNA molekula u citoplazmu do ribozoma i tamo su uključene u sintezu proteina. Protein koji sadrži hiljade aminokiselina sintetizira se u živoj ćeliji za 5-6 minuta, dok je u bakterijama to brže.

Glavni sistemi upravljanja, kako u konvarijantnoj reduplikaciji, tako iu unutarćelijskom prijenosu informacija, koriste „matrični princip“, tj. su matrice, pored kojih se grade odgovarajući specifični makromolekuli. Trenutno se uspješno dešifruje kod ugrađen u strukturu nukleinskih kiselina, koji služi kao matrica u sintezi specifičnih proteinskih struktura u ćelijama. Reduplikacija zasnovana na kopiranju matrice zadržava ne samo genetsku normu, već i odstupanja od nje, tj. mutacije (osnova evolucijskog procesa). Dovoljno tačno poznavanje molekularno-genetičkog nivoa neophodan je preduslov za jasno razumevanje životnih pojava koje se javljaju na svim drugim nivoima organizacije života.

Šta ukazuje na "reliktno" zračenje?

Relikt se zove pozadinsko kosmičko zračenje, čiji spektar odgovara spektru potpuno crnog tijela s temperaturom od oko 3 stepena Kelvina. Ovo zračenje se opaža na talasnim dužinama od nekoliko milimetara do desetina centimetara; gotovo je izotropan. Otkriće reliktnog zračenja bila je odlučujuća potvrda teorije o vrućem svemiru, prema kojoj je u prošlosti Univerzum imao mnogo veću gustinu materije i vrlo visoku temperaturu nego sada. Danas zabilježeno reliktno zračenje je podatak o davno prošlim događajima, kada je starost svemira bila samo 300-500 hiljada godina, a gustina oko 1000 atoma po kubnom centimetru. Tada je temperatura prvobitnog Univerzuma pala na oko 3000 stepeni Kelvina, elementarne čestice su formirale atome vodonika i helijuma, a iznenadni nestanak slobodnih elektrona doveo je do zračenja koje danas nazivamo reliktom.

Jedno od zanimljivih otkrića vezanih za elektromagnetski spektar je kosmičko pozadinsko zračenje. Otkriven je slučajno, iako je bila predviđena mogućnost njegovog postojanja.

Istorija otkrića reliktnog zračenja

Istorija otkrića reliktnog zračenja započeo 1964. Američko laboratorijsko osoblje Bell Phone razvio komunikacioni sistem koristeći veštački Zemljin satelit. Ovaj sistem je trebalo da radi na talasima dužine 7,5 centimetara. Ovakvi kratki talasi u odnosu na satelitske radio komunikacije imaju neke prednosti, ali do Arno Penzias i Robert Wilson niko nije resio ovaj problem. Oni su bili pioniri u ovoj oblasti i morali su da se postaraju da nema jakih smetnji na istoj talasnoj dužini, ili da su radnici komunikacija unapred znali za takve smetnje. U to vrijeme se vjerovalo da samo točkasti predmeti poput radio galaksije ili zvijezde. Izvori radio talasa. Naučnici su imali na raspolaganju izuzetno precizan prijemnik i rotirajuću rog antenu. Uz njihovu pomoć, naučnici bi mogli da slušaju čitav nebeski svod na isti način kao što doktor sluša pacijentova grudi stetoskopom.

Prirodni izvor signala

I čim je antena bila uperena u jednu od tačaka neba, zakrivljena linija je zaigrala na ekranu osciloskopa. Tipično prirodni izvor signala. Vjerovatno su stručnjaci bili iznenađeni svojom srećom: već na prvoj izmjerenoj tački - izvor radio-emisije! Ali gdje god su usmjerili svoju antenu, efekat je ostao isti. Naučnici su iznova provjeravali ispravnost opreme, ali je bila u savršenom redu. I konačno, shvatili su da su otkrili do tada nepoznati fenomen prirode: ceo univerzum je, takoreći, bio ispunjen radio talasima dužine centimetar. Kad bismo mogli vidjeti radio valove, nebeski svod bi nam se činio blistavim od ruba do ruba.
Radio talasi univerzuma. Penziasovo i Vilsonovo otkriće je objavljeno. I ne samo oni, već i naučnici iz mnogih drugih zemalja počeli su da tragaju za izvorima misterioznih radio talasa koje hvataju sve antene i prijemnici prilagođeni za ovu svrhu, gde god da se nalaze i ma koju tačku na nebu ciljali, i intenzitet radio-emisije na talasnoj dužini od 7,5 centimetara u bilo kojoj tački bio je potpuno isti, činilo se da je ravnomerno raspoređen po nebu.

CMB zračenje koje su izračunali naučnici

Sovjetski naučnici A. G. Doroshkevich i I. D. Novikov, koji su predvideli pozadinsko zračenje prije njegovog otvaranja napravio najteže proračune.. Uzeli su u obzir sve izvore zračenja koji su dostupni u našem Univerzumu i uzeli u obzir kako se zračenje određenih objekata mijenjalo tokom vremena. I pokazalo se da su u području centimetarskih talasa sva ta zračenja minimalna i stoga ni na koji način nisu odgovorna za detektovani sjaj neba. U međuvremenu, dalji proračuni su pokazali da je gustina razmazanog zračenja veoma velika. Evo poređenja fotonskog želea (kako su naučnici nazvali misteriozno zračenje) sa masom sve materije u svemiru. Ako se sva materija svih vidljivih Galaksija ravnomjerno "razmaže" po čitavom prostoru Univerzuma, tada će postojati samo jedan atom vodika na tri kubna metra prostora (radi jednostavnosti, svu materiju zvijezda ćemo smatrati vodonikom) . Istovremeno, svaki kubni centimetar stvarnog prostora sadrži oko 500 fotona zračenja. Mnogo, čak i ako uporedimo ne broj jedinica materije i zračenja, već direktno njihove mase. Odakle tako intenzivna radijacija? Svojevremeno je sovjetski naučnik A. A. Fridman, rješavajući poznate Ajnštajnove jednačine, otkrio da naš univerzum je u stalnoj ekspanziji. Ubrzo je pronađena potvrda za to. Amerikanac E. Hubble otkrio recesija galaksija. Ekstrapolirajući ovu pojavu u prošlost, može se izračunati trenutak kada je sva materija Univerzuma bila u vrlo maloj zapremini, a njena gustina bila neuporedivo veća nego sada. U toku širenja Univerzuma, produženje talasne dužine svakog kvanta se takođe dešava proporcionalno širenju Univerzuma; u isto vreme, kvant je, takoreći, "hlađen" - uostalom, što je kraća talasna dužina kvanta, to je "vrući". Današnje centimetarsko zračenje ima temperaturu sjaja od oko 3 stepena Kelvina apsolutno. A prije deset milijardi godina, kada je Univerzum bio neuporedivo manji, a gustina njegove materije vrlo velika, ti kvanti su imali temperaturu od oko 10 milijardi stepeni. Od tada je naš Univerzum „ispunjen“ kvantima radijacije koja se neprekidno hladi. Zbog toga je centimetarska radio-emisija „razmazana“ po Univerzumu nazvana reliktnim zračenjem. relikvije, kao što znate, nazivaju se ostaci najstarijih životinja i biljaka koji su preživjeli do danas. Centimetarski kvanti zračenja su daleko najstariji od svih mogućih relikvija. Uostalom, njihovo formiranje pripada eri koja je od nas udaljena oko 15 milijardi godina.

Znanje o svemiru donijelo je kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje

Gotovo se ništa ne može reći o tome kakva je materija bila u trenutku nula, kada je njena gustina bila beskonačno velika. Ali pojave i procesi koji su se odvijali u Univerzum, samo sekundu nakon njenog rođenja, pa čak i ranije, do 10 ~ 8 sekundi, naučnici već dosta dobro razumiju. Informaciju o tome donio je pozadinsko zračenje. Dakle, prošla je sekunda od nultog trenutka. Materija našeg Univerzuma imala je temperaturu od 10 milijardi stepeni i sastojala se od vrste "kaše" reliktni kvanti, elektrode, pozitroni, neutrini i antineutrini . Gustina "kaše" bila je ogromna - više od tone za svaki kubni centimetar. U takvoj "skučenosti" neprekidno su se dešavali sudari neutrona i pozitrona sa elektronima, protoni su se pretvarali u neutrone i obrnuto. Ali najviše je ovdje bilo kvanta - 100 miliona puta više od neutrona i protona. Naravno, pri takvoj gustini i temperaturi, nikakva složena jezgra materije ne bi mogla postojati: ona se ovdje nisu raspala. Prošlo je sto sekundi. Širenje svemira se nastavilo, njegova gustina se kontinuirano smanjivala, temperatura je padala. Pozitroni su skoro nestali, neutroni su se pretvorili u protone. Počelo je formiranje atomskih jezgara vodika i helijuma. Proračuni koje su izvršili naučnici pokazuju da se 30 posto neutrona udružilo u jezgra helijuma, dok je 70 posto njih ostalo samo, postajući jezgra vodonika. U toku ovih reakcija nastali su novi kvanti, ali njihov broj se više nije mogao porediti sa originalnim, pa možemo pretpostaviti da se uopšte nije promenio. Širenje svemira se nastavilo. Gustoća "kaše", tako strmo skuvane po prirodi na početku, opadala je proporcionalno kocki linearne udaljenosti. Prolazile su godine, vekovi, milenijumi. Prošlo je 3 miliona godina. Temperatura "kaše" do tog trenutka je pala na 3-4 hiljade stepeni, gustina supstance se takođe približila onoj danas poznatoj, međutim, ugrušci materije iz kojih bi se mogle formirati zvezde i galaksije još nisu mogle nastati. U to vrijeme, radijacijski pritisak je bio prevelik, gurajući svaku takvu formaciju. Čak su i atomi helijuma i vodonika ostali jonizovani: elektroni su postojali odvojeno, protoni i atomska jezgra - takođe odvojeno. Tek pred kraj tromilionskog perioda počela su se javljati prva zadebljanja u rashladnoj "kaši". U početku ih je bilo vrlo malo. Čim se hiljaditi deo "kaše" kondenzovao u neobične protozvezde, ove formacije su počele da "gore" slično kao moderne zvezde. A fotoni i kvanti energije koje su emitovali zagrijali su "kašu" koja se počela hladiti do temperatura na kojima se ponovno pokazalo da je stvaranje novih kondenzacija nemoguće. Smjenjivali su se periodi hlađenja i ponovnog zagrijavanja "kaše" izljevima protozvijezda, smjenjujući jedni druge. A u nekoj fazi širenja Univerzuma, formiranje novih nakupina postalo je gotovo nemoguće, makar samo zato što je nekada tako gusta "kaša" bila previše "razređena". Otprilike 5 posto materije uspjelo se ujediniti, a 95 posto rasuti u prostoru svemira koji se širi. Tako su se "raspršili" i nekada vrući kvanti, koji su formirali reliktnu radijaciju. Tako su se raspršila jezgra atoma vodonika i helijuma, koja su bila dio "kaše".

Hipoteza o formiranju svemira

Evo jednog od njih: većina materije u našem Univerzumu, nipošto nije dio planeta, zvijezda i galaksija, već čini međugalaktički plin - 70 posto vodonika i 30 posto helijuma, jedan atom vodika po kubnom metru prostora . Tada je razvoj Univerzuma prošao fazu protozvijezda i ušao u stadij materije uobičajene za nas, obične spiralne galaksije koje se razvijaju, obične zvijezde, od kojih je najpoznatija naša. Planetarni sistemi formirani oko nekih od ovih zvijezda, barem na jednoj od ovih planeta, nastao je život, koji je tokom evolucije doveo do inteligencije. Koliko često se zvijezde nalaze u prostranstvu svemira, okružene plesom planeta, naučnici još ne znaju. Niti mogu ništa reći o tome koliko često.
Okrugli ples planeta. A pitanje koliko često biljka života procvjeta u bujni cvijet uma ostaje otvoreno. Nama danas poznate hipoteze koje tretiraju sva ova pitanja više su kao nepotkrijepljena nagađanja. Ali danas se nauka razvija poput lavine. U skorije vrijeme, naučnici nisu imali pojma kako je počelo naše. Reliktno zračenje, otkriveno prije oko 70 godina, omogućilo je da se nacrta ta slika. Danas čovječanstvu nedostaju činjenice, na osnovu kojih bi moglo odgovoriti na gore formulirana pitanja. Prodor u svemir, posjete Mjesecu i drugim planetama, donose nove činjenice. A činjenice više ne prate hipoteze, već strogi zaključci.

Reliktno zračenje govori o homogenosti univerzuma

Šta su još relikt zraci, ovi svedoci rođenja našeg Univerzuma, rekli naučnicima? A. A. Fridman je riješio jednu od jednačina koje je dao Ajnštajn i na osnovu ovog rješenja otkrio širenje Univerzuma. Da bi se riješile Ajnštajnove jednačine, bilo je potrebno postaviti tzv. početne uslove. Friedman je pošao od pretpostavke da Univerzum je homogen i izotropna, što znači da je materija u njoj ravnomjerno raspoređena. I tokom 5-10 godina koliko je prošlo od otkrića Friedmana, ostalo je otvoreno pitanje da li je ova pretpostavka tačna. Sada je u suštini uklonjen. O izotropiji Univerzuma svjedoči zadivljujuća uniformnost reliktne radio emisije. O istom svedoči i druga činjenica - raspodela materije Univerzuma između Galaksija i međugalaktičkog gasa.
Uostalom, međugalaktički plin, koji čini glavni dio materije Univerzuma, raspoređen je po njemu jednako kao i reliktni kvanti.. Otkriće reliktnog zračenja omogućava sagledavanje ne samo ultra-daleke prošlosti - izvan onih vremenskih granica kada nije bilo ni naše Zemlje, ni našeg Sunca, ni naše Galaksije, pa čak ni samog Univerzuma. Poput nevjerovatnog teleskopa koji se može usmjeriti u bilo kojem smjeru, otkriće kosmičke mikrovalne pozadine omogućava vam da pogledate u ultra-daleku budućnost. Tako ultra-daleko, kada neće biti Zemlje, Sunca, Galaksije. Tu će pomoći fenomen širenja Univerzuma, jer se zvijezde koje ga čine, Galaksije, oblaci prašine i plina raspršuju u svemiru. Da li je ovaj proces vječan? Ili će se ekspanzija usporiti, zaustaviti, a zatim će biti zamijenjena kompresijom? I nisu li uzastopne kontrakcije i ekspanzije Univerzuma neka vrsta pulsiranja materije, neuništive i vječne? Odgovor na ova pitanja prvenstveno zavisi od toga koliko je materije sadržano u svemiru. Ako je njegova opća gravitacija dovoljna da savlada inerciju širenja, tada će širenje neizbježno biti zamijenjeno kontrakcijom, u kojoj će se Galaksije postepeno približavati jedna drugoj. Pa, ako sile gravitacije nisu dovoljne da uspore i savladaju inerciju širenja, naš Univerzum je osuđen na propast: raspršit će se u svemiru! Nadolazeća sudbina čitavog našeg univerzuma! Ima li većeg problema? Proučavanje reliktnog zračenja dalo je nauci priliku da to isporuči. I moguće je da će daljnja istraživanja to riješiti.

John Mather i George Smoot su 2006. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće spektra crnog tijela i anizotropiju kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Ovi rezultati su dobijeni na osnovu mjerenja pomoću satelita COBE koji je lansirala NASA 1988. Rezultati J. Mathera i J. Smoota potvrdili su nastanak svemira kao rezultat Velikog praska. Ekstremno mala razlika u temperaturi kosmičkog pozadinskog zračenja ΔT/T ~ 10 -4 je dokaz mehanizma formiranja galaksija i zvijezda.

J. Mather (r. 1946.)

J. Smoot (r. 1945.)

Rice. 52. Spektar reliktnog zračenja crnog tijela.

Reliktno zračenje (ili kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje) otkrili su 1965. A. Penzias i R. Wilson. U ranoj fazi evolucije Univerzuma, materija je bila u stanju plazme. Takav medij je neproziran za elektromagnetno zračenje - dolazi do intenzivnog rasipanja fotona elektronima i protonima. Kada se Univerzum ohladio na 3000 K, elektroni i protoni su se ujedinili u neutralne atome vodika i medij je postao providan za fotone. Tada je starost Univerzuma bila 300.000 godina, tako da CMB daje informacije o stanju Univerzuma u toj epohi. U to vrijeme svemir je bio praktično homogen. Nehomogenosti Univerzuma su određene temperaturnom nehomogenošću reliktnog zračenja. Ova nehomogenost je ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Nehomogenosti reliktnog zračenja svjedoci su nehomogenosti Univerzuma: prve zvijezde, galaksije, jata galaksija. Širenjem svemira, talasna dužina pozadinskog zračenja je porasla Δλ/λ = ΔR/R, a trenutno je talasna dužina pozadinskog zračenja u opsegu radio talasa, temperatura pozadinskog zračenja je T = 2,7 K.

Rice. 53. Anizotropija reliktnog zračenja. Tamnija boja pokazuje regije CMB spektra koje imaju višu temperaturu.

J. Mather: „U početku je bio Veliki prasak−tako da sada govorimo s velikim povjerenjem. Satelit COBE, predložen kao projekat 1974. Nacionalnoj agenciji za aeronautiku i svemir (NASA) i lansiran 1989. godine, pružio je veoma jak dokaz za to: kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje (CMBR, ili CMB) ima spektar skoro savršeno crno telo sa temperaturom
2,725 ±0,001 K, a ovo zračenje je izotropno (isto u svim pravcima) sa relativnom standardnom devijacijom ne većom od 10 na milion na ugaonim skalama od 7° ili više. Ovo zračenje se tumači kao trag izuzetno vruće i guste rane faze u evoluciji svemira. U tako vrućoj i gustoj fazi, stvaranje i uništavanje fotona, kao i uspostavljanje ravnoteže između njih i sa svim drugim oblicima materije i energije, dogodili bi se vrlo brzo u odnosu na karakterističnu vremensku skalu širenja Univerzuma. . Takvo stanje bi odmah proizvelo zračenje crnog tijela. Univerzum koji se širi mora zadržati prirodu crnog tijela ovog spektra, tako da bi mjerenje bilo kakvog značajnog odstupanja od idealnog spektra zračenja crnog tijela ili poništilo cijelu ideju Velikog praska ili bi pokazalo da je nešto energije dodano CMBR-u nakon brzog ravnoteže (npr. od raspada nekih primarnih čestica). Činjenica da je ovo zračenje izotropno do tako visokog stepena ključni je dokaz da dolazi od Velikog praska.”

Rice. 54. Robert Wilson i Arno Penzias kod antene na kojoj je registrovano reliktno zračenje.

J. Smoot: “Prema teoriji vrućeg svemira, reliktno zračenje je zaostalo zračenje koje je nastalo u najranijim visokotemperaturnim fazama evolucije Univerzuma u vremenima blizu početka širenja modernog svemira prije 13,7 milijardi godina. . Sam CMB se može koristiti kao moćan alat za mjerenje dinamike i geometrije svemira. Reliktnu radijaciju su otkrili Penzias i Wilson u Laboratoriji. Bella 1964
Otkrili su konstantno izotropno zračenje sa termodinamičkom temperaturom od oko 3,2 K. U isto vrijeme, fizičari sa Princetona (Dick, Peebles, Wilkinson i Roll) razvijali su eksperiment za mjerenje CMB-a, predviđen teorijom vrućeg svemira. Slučajno otkriće CMB-a od strane Penziasa i Wilsona započelo je novu eru u kosmologiji, započevši njenu transformaciju iz mita i spekulacija u punopravno naučno polje.
Otkriće temperaturne anizotropije CMB-a revolucioniralo je naše razumijevanje svemira, a njegova trenutna istraživanja nastavljaju revolucionirati kosmologiju. Konstrukcija ugaonog spektra snage CMB temperaturnih fluktuacija sa platoom, akustičnim vrhovima i prigušenim visokofrekventnim krajem dovela je do uspostavljanja standardnog kosmološkog modela u kojem je geometrija prostora ravna (koja odgovara kritičnoj gustoći), tamna energija a tamna materija dominira i postoji samo malo obične materije. Prema ovom uspješno potvrđenom modelu, vidljiva struktura svemira je oblikovana gravitacijskom nestabilnošću, koja je pojačala kvantne fluktuacije nastale u vrlo ranoj inflatornoj epohi. Trenutna i buduća zapažanja će testirati ovaj model i odrediti ključne kosmološke parametre sa izuzetnom preciznošću i značajem.”

Reliktno zračenje je pozadinsko mikrovalno zračenje, koje je isto u svim smjerovima i ima spektar karakterističan za potpuno crno tijelo na temperaturi od ~ 2,7 K.

Vjeruje se da se ovo zračenje može iskoristiti da se sazna odgovor na pitanje: odakle dolazi? U stvari, kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje je ono što je ostalo od "konstrukcije Univerzuma", kada je počelo da se pojavljuje tek nakon ekspanzije guste vruće plazme. Da bismo lakše razumjeli šta je reliktno zračenje, uporedimo ga sa ostacima ljudske aktivnosti. Na primjer, čovjek nešto izmisli, drugi to kupuju, koriste i bacaju otpad. Dakle, smeće (sam rezultat ljudskog života) - ovo je analog reliktnog zračenja. Iz đubreta se može saznati sve – gde je čovek bio u određenom vremenskom periodu, šta je jeo, šta je imao na sebi, pa čak i o čemu je pričao. Takođe, reliktno zračenje. Prema njegovim svojstvima, naučnici pokušavaju da izgrade sliku trenutka velikog praska, što bi moglo dati odgovor na pitanje: kako je nastao Univerzum? Ali ipak, zakoni održanja energije stvaraju određena neslaganja oko nastanka svemira, jer se ništa ne uzima niotkuda i ne ide nikuda. Dinamika našeg svemira je tranzicija, promjena svojstava i stanja. To se može primijetiti čak i na našoj planeti. Na primjer, loptasta munja se pojavljuje u ugrušku oblaka čestica vode?! Kako? Kako to može biti? Niko ne može objasniti porijeklo određenih zakona. Postoje samo trenuci otkrića ovih zakona, kao i istorija otkrića reliktnog zračenja.

Istorijske činjenice proučavanja reliktnog zračenja

Po prvi put, Georgi Antonovič Gamov (George Gamow) pomenuo je CMB kada je pokušao da objasni teoriju Velikog praska. Pretpostavio je da neka vrsta zaostalog zračenja ispunjava prostor svemira koji se stalno širi. Godine 1941., proučavajući apsorpciju jedne od zvijezda u jatu Zmije, Andrew McKellar je primijetio spektralne apsorpcione linije svjetlosti koje su odgovarale temperaturi od 2,7 K. 1948. Georgy Gamow, Ralph Alfert i Robert German su postavili temperaturu kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje na 5 K. Kasnije je Georgy Gamow sugerirao temperaturu manju od poznate na 3 K. Ali ovo je bila samo površna studija ove činjenice, u to vrijeme nikome nepoznata. Početkom 1960-ih Robert Dicke i Yakov Zel'dovich dobili su iste rezultate kao Gamow, fiksirajući talase čiji intenzitet zračenja nije zavisio od vremena. Radoznali um naučnika morao je da stvori poseban radio teleskop za precizniju registraciju reliktnog zračenja. Početkom 1980-ih, s razvojem svemirske industrije, reliktno zračenje počelo se pažljivije proučavati iz svemirske letjelice. Bilo je moguće utvrditi svojstvo izotropije reliktnog zračenja (ista svojstva u svim smjerovima, na primjer, 5 koraka prema sjeveru za 10 sekundi i 5 koraka prema jugu također će biti za 10 sekundi). Do danas se nastavljaju proučavanja svojstava reliktnih studija i istorije njihovog nastanka.

Koja su svojstva reliktnog zračenja?

CMB spektar iz podataka dobijenih instrumentom FIRAS na satelitu COBE

CMB spektar je 2,75 Kelvina, što je slično čađi ohlađenoj na ovu temperaturu. Takva supstanca uvijek apsorbira zračenje (svjetlo) koje pada na nju, bez obzira na to kako na nju utječete. Bar stavite u magnetnu zavojnicu, barem bacite nuklearnu bombu, barem zasjajte reflektorom. Takvo tijelo također emituje malo zračenje. Ali ovo samo dokazuje činjenicu da ništa nije apsolutno. Uvijek je moguće izvesti idealan zakon za beskonačno dugo vrijeme, postići maksimum određenog svojstva nečega, ali uvijek će postojati mali djelić inercije.

Zanimljive činjenice vezane za proučavanje reliktnog zračenja

Maksimalna frekvencija reliktnog zračenja registrovana je na 160,4 GHz, što je jednako talasu od 1,9 mm. A gustina takvog zračenja je 400-500 fotona po cm 3. CMB zračenje je najstarije, najstarije zračenje koje se uopšte može posmatrati u svemiru. Svaka čestica putovala je 400.000 godina da bi stigla do Zemlje. Ne kilometrima, već godinama! Prema zapažanjima satelita i matematičkim proračunima, čini se da kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje stoji mirno, a sve galaksije i sazviježđa se kreću u odnosu na njega ogromnom brzinom, reda stotine kilometara u sekundi. To je kao da gledate kroz prozor voza u pokretu. Temperatura pozadinskog zračenja u pravcu sazvežđa je viša za 0,1%, au suprotnom za 0,1% niža. Ovo objašnjava kretanje Sunca u smjeru ovog sazviježđa u odnosu na pozadinu.

Šta nam daje proučavanje reliktnog zračenja?

Rani univerzum je bio hladan, veoma hladan. Zašto je svemir bio tako hladan i šta se dogodilo kada je počelo širenje svemira? Može se pretpostaviti da je usled velikog praska iz svemira izbačena ogromna količina ugrušaka energije, zatim se Univerzum ohladio, skoro zamrznuo, ali je vremenom energija ponovo počela da se skuplja u ugruške i nastala je određena reakcija koja je pokrenula proces širenja svemira. Odakle je onda došla tamna materija i da li je u interakciji sa kosmičkom mikrotalasnom pozadinom? Možda je CMB rezultat raspadanja tamne materije, što je logičnije od preostalog zračenja Velikog praska. Pošto tamna energija može biti antimaterija i čestice tamne materije, sudarajući se sa česticama materije, formiraju zračenje u materijalnom i antimaterijalnom svetu poput reliktnog zračenja. Do danas, ovo je najnovija, neistražena oblast nauke u kojoj se može postići uspeh i utisnuti u istoriju nauke i društva.