Микроволновое фоновое излучение

Источник статьи: Большая российская энциклопедия

МИКРОВОЛНО́ВОЕ ФО́НОВОЕ ИЗЛУЧЕ́НИЕ (реликтовое излучение) – космическое электромагнитное излучение, имеющее спектр абсолютно чёрного тела с температурой [math]\displaystyle{ T=2,725 K }[/math]. 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 микроволнового фонового излучения (А. Пензиас, P. Вильсон, 1964–1965; Нобелевская пр., 1978) подтвердило теорию горячей Вселенной и стало важным экспериментальным свидетельством в пользу квазифридмановской модели Вселенной.

Рис. 1. Спектр микроволнового фонового излучения Вселенной (точки); погрешность экспериментальных точек увеличена в 400 раз. Сплошная линия – чернотельный планковский спектр с температурой 2,725 К.

Согласно теории горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность и чрезвычайно высокую температуру. При [math]\displaystyle{ T\gt 10^8 К }[/math] 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 температуры плазмы и излучения падали, 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 [math]\displaystyle{ T \approx 3000 К }[/math] произошла рекомбинация протонов и электронов с образованием водорода, плазма превратилась в нейтральное вещество, и Вселенная стала прозрачной для излучения. В ходе последующего расширения темп-pa излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт или «память» о раннем периоде эволюции Вселенной (рис. 1).

В настоящее время энергия фотонов микроволнового фонового излучения мала – в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов этого излучения очень велико. На каждый барион во Вселенной приходится порядка 10⁹ фотонов микроволнового фонового 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 микроволновому фоновому 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 микроволнового фонового излучения.

Спектр микроволнового фонового 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 дают энерговыделение на ранних стадиях расширения Вселенной, что должно было исказить чернотельный спектр микроволнового фонового излучения. Вклад в искажение спектра микроволнового фонового излучения вносит и сам процесс рекомбинации, однако число рекомбинационных фотонов крайне малó (порядка 10^–9 от их общего числа). Отклонения спектра микроволнового фонового излучения от чернотельного не превышают сотой доли процента и пока не обнаружены.