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.

Анизотропия микроволнового фонового излучения

Анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, имеет дипольный характер. В направлении на созвездие Льва температура микроволнового фонового излучения на 3,358·10^–3 К превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно микроволнового фонового излучения со скоростью около 370 км/с по направлению к созвездию Льва. Учёт скоростей движения Солнца вокруг центра Галактики и самой Галактики в Местной группе галактик позволяет определить скорость движения Местной группы относительно микроволнового фонового излучения. Она составляет около 600 км/с.

Компонента анизотропии микроволнового фонового излучения, связанная с движением Галактики относительно этого излучения, случайна, и её нельзя предсказать из модельных соображений. Космологическая анизотропия микроволнового фонового излучения более сложно зависит от ориентации на небесной сфере, однако она не зависит от частоты. Космологическая анизотропия микроволнового фонового излучения с амплитудой 10^–5 на угловом масштабе 10° обнаружена в 1992 г. Это позволило сделать важные выводы о геометрии Вселенной и доказать существование материи небарионной природы.

Рис. 2. Карта анизотропии микроволнового фонового излучения на небесной сфере. Составлена по результатам анализа данных за 5 лет наблюдений на спутнике WMAP. Вычтен вклад Галактики, диапазон отклонений составляет от –200 до 200 мкК. Синий цвет – отрицательные отклонения, красный – положительные. Характерный угловой размер пятен составляет 1°.

Распределение микроволнового фонового излучения на небесной сфере (рис. 2) свидетельствует о квазиоднородном распределении вещества и гравитационного поля в ранней Вселенной. Это означает, что геометрия Вселенной описывалась слабовозмущённой моделью Фридмана, причём главной модой возмущений, «отпечатанной» в анизотропии микроволнового фонового излучения, оказалась растущая адиабатическая ветвь неоднородностей плотности, которая имела случайное (гауссово) распределение в пространстве и характерный спектр с амплитудой [math]\displaystyle{ \Delta T/T \sim 10^\text{–5} }[/math] и соответствующей модуляционной компонентой, связанной со звуковыми колебаниями барионов в дорекомбинационной Вселенной (сахаровские осцилляции).

Задолго до открытия анизотропии микроволнового фонового излучения теоретически было предсказано рождение таких космологических неоднородностей из квантовых флуктуаций плотности под действием быстропеременного гравитационного поля в ранней Вселенной (параметрическое усиление, или квантово-гравитационное рождение возмущений). Далее эти малые неоднородности плотности росли из-за гравитационной неустойчивости 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 (см. Крупномасштабная структура Вселенной). Дать информацию об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь микроволновое фоновое 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, то есть к различию температуры излучения в разных по плотности областях Вселенной. После рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, а микроволновое фоновое излучение сохранило всю информацию о неоднородностях плотности барионов во Вселенной в период рекомбинации.

В конце 20 – начале 21 вв. проведено несколько экспериментов (Реликт, COBE, BOOMERanG, MAXIMA, WMAP, Plank), в ходе которых проводилось исследование космологической анизотропии микроволнового фонового излучения. В части из них (Реликт, COBE, WMAP, Plank) экспериментальные комплексы были установлены на космические аппараты, 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 открытие чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения Дж. Мазеру и Дж. Смуту присуждена Нобелевская премия (2006).

Угловая анизотропия микроволнового фонового излучения может быть разложена на отдельные гармоники с помощью присоединённых полиномов Лежандра, 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 микроволнового фонового излучения) и расширение экспериментальной базы наблюдательной космологии привело на рубеже 20–21 вв. к появлению стандартной космологической модели (см. Космология).

Анизотропия микроволнового фонового излучения может быть вызвана не только наличием флуктуаций в распределении вещества, но и первичными гравитационными волнами, также рождающимися параметрическим образом в ходе инфляционной стадии расширения Вселенной. Выделение компоненты анизотропии, генетически связанной с гравитационными волнами, – задача ближайших лет. Пока имеется лишь верхний предел (около 0,1) отношения вкладов гравитационных волн и возмущений плотности в крупномасштабную анизотропию микроволнового фонового излучения.

Поляризация микроволнового фонового излучения

Реликтовое излучение частично поляризовано, и этот эффект может быть измерен. Поляризация возникает из-за рассеяния электромагнитных волн на свободных электронах космической плазмы, вследствие чего направление вектора напряжённости электрического поля (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 космологических возмущений. В результате степень поляризации составляет около 10% от степени анизотропии, то есть величину [math]\displaystyle{ \Delta T/T \sim 10^\text{–6} }[/math].

В силу малости эффекта задача детектирования поляризации микроволнового фонового 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 микроволнового фонового 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 гравитационной волны, 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 [[Большой взрыв|Большого взрыва].

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д. Реликтовое излучение Вселенной. М., 2003.
• Лукаш В. Н., Михеева Е. В. Физическая космология. М., 2010.