Фоновое излучение

Температурные флуктуации радиационного фона, зарегистрированные космическим зондом WMAP (миссия 2001–2010 гг.)
Температурные колебания радиационного фона, зарегистрированные спутником COBE (миссия 1989–1993 гг.)

Фоновое излучение , более космическое микроволновое фоновое излучение , английский реликтовое (СМВ) , из - за их низкой температуры и плотности энергии и три-Кельвина излучения под названием, является одним вся вселенная выполняет почти изотропное излучение в микроволновом диапазоне , который вскоре после того, Большой взрыв возник. Это чрезвычайно важно для физической космологии , поскольку считается доказательством теории большого взрыва ( стандартной модели ).

Не следует путать космическое фоновое излучение с космическим излучением .

теория

После Большого взрыва излучение и вещество изначально находились в тепловом равновесии . В результате расширения Вселенной температура и плотность связанной смеси излучения и вещества со временем уменьшались. В конце концов, после того, как около 380000 лет, при температуре около 3000  Кельвинов , протоны и электроны были способны образовывать электрический нейтральный водород , который известен в физике как рекомбинация . Поскольку свободные электроны и протоны в настоящее время отсутствуют, излучение больше не может взаимодействовать с веществом из - за Томсон рассеяние из фотонов - Вселенная стала «прозрачным». Космическое микроволновое излучение происходит с этого времени, эпохи рекомбинации . На момент создания он транслировался в видимом спектре.

Дальнейшее расширение Вселенной вызвано расширением пространства-времени , увеличением длины волны существующих фотонов, то есть красным смещением . Поэтому сегодня мы наблюдаем эти фотоны как космическое фоновое излучение в микроволновом диапазоне. Он примерно однороден во всех направлениях неба в нормальных масштабах и не создается путем наложения отдельных источников, таких как галактики.

В результате теплового равновесия перед рекомбинацией излучение имеет почти идеальный спектр интенсивности черного тела (также называемого излучением черного тела ) с температурой 2,725 (± 0,002) Кельвина сегодня.

Согласно расчетам космологической модели, красное смещение фонового излучения составляет z  = 1089 ± 0,1, и каждый кубический сантиметр вакуума в космосе содержит в среднем 400 фотонов фонового излучения.

история

Рупорная антенна от " Bell Labs" в Холмделе , Нью-Джерси  (США), где в 1964 году предсказанное микроволновое излучение было получено как мешающий сигнал.

Излучение межгалактического пространства с температурой 2,8 К было предсказано Эрихом Регенером еще в 1933 году .

В результате большого взрыва он был постулирован с более высокими значениями только в 1940-х годах Джорджем Гамовым , Ральфом Альфером и Робертом Херманом . Открытие произошло случайно в 1964 году Арно Пензиасом и Робертом Вудро Вильсоном во время тестирования новой чувствительной антенны, созданной для экспериментов с искусственными спутниками Земли. В том же выпуске Astrophysical Journal, в котором Пензиас и Уилсон опубликовали свои результаты, Роберт Генри Дике и др. открытие уже как космическое излучение черного тела, в работе, в которой они, в свою очередь, объявили о подготовке аналогичного эксперимента (на других длинах волн), в котором их ожидали Пензиас и Вильсон. За это открытие Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике 1978 года .

Эндрю МакКеллар обнаружил свидетельства фонового излучения еще в 1940/1941 годах в обсерватории Маунт Вильсон , определив температуру спектра вращения молекул CN в межзвездной среде. Его открытие даже вошло в известный учебник « Спектры двухатомных молекул» (1950) Герхарда Герцберга , но ни один из них не признал масштаб открытия.

В 1964 году А. Дорошкевич и Игорь Дмитриевич Новиков также выступили с предложением о наблюдении реликтового излучения в СССР .

Измерения

Спектр , измеренный с помощью COBE спутника (интенсивности в зависимости от волнового числа ) космического микроволнового фонового излучения, А - спектр Планка с температурой Т = 2,725 К. В Столбики ошибок из точек данных слишком малы , чтобы быть отображены на На экране были вставлены полосы погрешностей гораздо большего размера, чтобы точки измерения были видны. Максимум приходится на длину волны около 2 мм, что соответствует частоте около 150  ГГц .

В экспериментах Пензиаса и Вильсона измерения проводились только на одной частоте , поэтому в последующие годы дальнейшие измерения проводились на других частотах. Это подтвердило, что это излучение на самом деле является излучением черного тела . Этот тип излучения имеет типичную колоколообразную кривую интенсивности, которая показана на рисунке. Поскольку возможности наземных наблюдений в микроволновом диапазоне ограничены из-за атмосферного поглощения, была запущена спутниковая миссия COBE .

  • Шумовое напряжение измерялось на максимально возможном количестве частот с максимально возможного количества направлений с использованием высокочувствительных микроволновых приемников .
  • Из-за широкой полосы частот пришлось использовать разные антенны и приемники. Поэтому потребовались нормализация и преобразование в абсолютную мощность приема.
  • Целью было получить данные только о слабом радиационном фоне. Следовательно, поведение излучения всех известных и иногда очень интенсивных источников переднего плана, таких как Крабовидная туманность или другие остатки сверхновой, необходимо было смоделировать и вычесть для всех частот.
  • Остальные измеренные значения демонстрируют поразительную дипольную картину: максимум излучения из очень определенного направления (примерно противоположного текущему направлению вращения Солнечной системы в Млечном Пути) явно смещен в синий цвет в противоположном направлении. красное смещение ( эффект Доплера ). Это объясняется тем, что наша Солнечная система движется со скоростью около 369 км / с по сравнению с системой отсчета, в которой излучение изотропно.
  • Эта дипольная диаграмма была вычтена, и несколько раз измененные измеренные значения были нанесены на график в зависимости от длины волны (см. Рисунок справа).
  • По формуле закона излучения Планка модельные кривые были рассчитаны для разных температур и нанесены на одну и ту же диаграмму.
  • Модельная кривая для 2,725 K является наиболее подходящей для точек измерения (в смысле наименьших квадратов ошибки ).

Анизотропия

Спектр мощности температурных флуктуаций космического фонового излучения

Температура микроволнового фона очень однородна ( изотропна ) по всему небу . Самая сильная зависимость от направления наблюдения составляет всего около 0,1% и возникает из-за движения Млечного Пути (и, следовательно, Земли) относительно микроволнового фона:

  • Фотоны, приходящие со стороны движения, смещены в синий цвет из-за эффекта Доплера , температура фонового излучения увеличивается в этом направлении.
  • Фотоны, идущие с противоположного направления, соответственно смещаются в красную область, фоновое излучение кажется более холодным.

Это приводит к дипольной анизотропии распределения температуры. С помощью этого метода, который является распространенным в астрономии, также можно определить правильное движение в пространстве по отношению к фоновому излучению.

Колебания температуры на меньших угловых шкалах можно разделить на:

  • первичная анизотропия : анизотропия из-за эффектов, которые действовали во время генерации излучения. Наиболее важные из них:
    • Эффект Сакса-Вульфа : излучение, выходящее из сверхплотных областей, претерпевает гравитационное красное смещение , так что фоновое излучение в соответствующем направлении имеет немного более низкую температуру; с другой стороны, этот эффект частично компенсируется тем, что гравитация приводит к замедлению времени . Следовательно, фотоны более плотных областей происходят из более раннего времени, когда Вселенная была еще горячее. Оба эффекта описываются вместе эффектом Сакса-Вульфа.
    • Колебания плотности в ранней Вселенной приводят к пекулярным скоростям . Это скорости материи, которые возникают в дополнение к скорости расширения пространства . Электроны, с которыми фотоны рассеиваются в последний раз, поэтому имеют дополнительную составляющую скорости, которая зависит от плотности.
    • Если плотность барионов увеличивается на небольшой площади , барионы адиабатически сжимаются и, следовательно, становятся более горячими. Поскольку барионы находятся в тепловом равновесии с фотонами, фотоны также становятся богаче энергией.
  • Вторичные анизотропии: анизотропии из-за эффектов, которые проявились позже на пути фотонов в космосе. К ним, в частности, относятся:
    • Во Вселенной есть свободные электроны, на которых могут рассеиваться фотоны. Поскольку томсоновское рассеяние в значительной степени изотропно, направление фотона после рассеяния в значительной степени не зависит от его направления до рассеяния. Рассеянные фотоны больше не несут никакой информации о флуктуациях реликтового излучения. В результате анизотропия частично размывается.
    • Проходя через Вселенную, фотоны проходят через серию потенциальных ям в структурах Вселенной (например, через галактики , скопления галактик и т. Д.). У них всегда происходит гравитационное синее смещение, а затем снова красное смещение. Поскольку общий гравитационный потенциал Вселенной изменяется со временем, эффекты не отменяют друг друга полностью. Это известно как интегрированный эффект Сакса-Вульфа .
    • Кроме того, фотоны отклоняются при прохождении через потенциальные ямы. Угол, под которым мы наблюдаем фотоны, не совсем соответствует их положению во время рекомбинации - это размывает анизотропию на малоугловых масштабах.
    • Фотоны могут рассеиваться на электронах горячего газа скоплений галактик. Это комптоновское рассеяние в среднем немного увеличивает энергию и частоту фотонов. Это увеличивает количество высокочастотных фотонов по сравнению со спектром Планка , в то время как количество низкочастотных фотонов уменьшается. Это называется эффектом Сунджаева-Сельдовича .

Статистические свойства распределения плотности во время рекомбинации - и, следовательно, первичные анизотропии - могут быть точно смоделированы в рамках релятивистской космологии как функция менее космологических параметров . Вторичные анизотропии можно либо рассчитать, либо учесть при моделировании . Поэтому - в зависимости от космологических параметров - можно делать прогнозы о распределении температуры, особенно об угловом спектре мощности (см. Рисунок). Если сравнить это с измеренным угловым спектром мощности, можно определить космологические параметры.

Открытие спутником COBE в 1993 году этих небольших температурных флуктуаций (около 0,001%) на меньших площадях стало прорывом в наблюдении ранней Вселенной. Измерение силы этих флуктуаций показало, что во время рекомбинации вещество было распределено чрезвычайно однородно . Дальнейшие исследования с помощью наземных экспериментов, баллонных телескопов и особенно космических зондов WMAP и Planck намного лучше охарактеризовали силу этих температурных флуктуаций в зависимости от их угловой протяженности в небе. Тот факт, что измеренные свойства микроволнового фона хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями, является прекрасным доказательством того, что теория Большого взрыва верна. Измерение параметров этой теории отдает предпочтение лямбда-модели CDM .

С августа 2009 года по февраль 2012 года европейский космический зонд Planck измерял излучение с даже в три раза более высоким разрешением , с лучшим подавлением мешающего излучения. Колебания температуры в настоящее время являются одной из самых важных измеряемых переменных в космологии и теориях образования структур в ранней Вселенной.

Новые вопросы

Несмотря на в целом отличное согласие между измеренными свойствами космического микроволнового фона и теоретическими предсказаниями, есть некоторые аспекты данных, которые не до конца поняты и привели к продолжающимся дискуссиям.

Таким образом, некоторые из самых низких моментов в угловом распределении температуры ниже прогнозируемых. Измеренные экстремальные значения радиационного фона проходят почти перпендикулярно эклиптике Солнечной системы с отклонением от перпендикуляра, перемещающимся в пределах неточностей измерений. Кроме того, наблюдается четкая асимметрия север-юг с максимумом на севере. Это удивительно. Стандартная космологическая модель не знает ни глобально отличительного пространственного направления. Следовательно, космическое фоновое излучение со всех пространственных направлений должно быть в среднем одинаково сильным.

Существует также область, называемая холодным пятном реликтового излучения, диаметром около 5 °, в которой температура фонового излучения значительно ниже средней. Это холодное пятно реликтового излучения обычно интерпретируется как изображение особенно большого, особенно пустого пространства . Была сделана попытка обнаружить это пустое пространство напрямую с помощью трехмерного картирования галактик, которые будут наблюдаться в этом направлении. Различные исследовательские группы пришли к противоположным результатам. Исследование 2016 года подтверждает наличие пустоты в рассматриваемой области неба. Однако исследование, проведенное в 2017 году, пришло к выводу, что в распределении наблюдаемых галактик нет пространственной структуры, совместимой с холодным пятном реликтового излучения.

Эти отклонения от ожидаемого распределения фонового излучения, которые уже были видны в результатах миссии WMAP, были подтверждены измерениями с Planck с более высоким разрешением и точностью.

Различные коллаборации ищут признаки инфляции и гравитационных волн с первых дней существования Вселенной в точном распределении измеренного фонового излучения . Первоначальный отчет, основанный на измерениях детектора BICEP2, привлек внимание средств массовой информации в 2014 году. Однако через год те же авторы пришли к выводу, что отклонения от изотропии можно объяснить пылью Млечного Пути .

литература

  • Герхард Бёрнер, Маттиас Бартельманн: Астрономы расшифровывают книгу творения. В кн . : Физика в наше время . Wiley 33.2002, 3, ISSN  0031-9252 , стр. 114-120.
  • Г. Д. Старкман, Д. Д. Шварц: диссонансы во Вселенной. В кн . : Спектр науки . Гейдельберг 2005, 12, ISSN  0170-2971 , стр. 30 и сл .
  • Марк Лашиз-Рей, Эдгард Гунциг: Космологический фон радиации. Cambridge Univ. Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-57437-4 .

веб ссылки

Commons : Cosmic Background Radiation  - Коллекция изображений, видео и аудио файлов

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ а б К.Л. Беннет, М. Халперн, Г. Хиншоу, Н. Яросик, А. Когут, М. Лимон, С. С. Мейер, Л. Пейдж, Д. Н. Спергель, Г. С. Такер, Э. Воллак, Э. Л. Райт, К. Барнс, М. Р. Грейсон, Р. С. Хилл, Э. Комацу, М. Р. Нолта, Н. Одегард, Х. В. Пирс, Л. Верде, Дж. Л. Вейланд: Наблюдения с помощью микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP) первого года: предварительные карты и основные результаты . В кн . : Astrophys. J. Дополнительный том 148 , 2003, с. 1-27 , DOI : 10,1086 / 377253 , Arxiv : астро-фот / 0302207 .
  2. ↑ Кеннет Р. Лэнг: Товарищ по астрономии и астрофизике. Хронология и глоссарий с таблицами данных. Springer, 2006, с. 242.
  3. ↑ Э. Регенер: Энергетический поток ультра-излучения. (PDF; 166 кБ, PDF). На: wolff.ch. В: Журнал физики. 80, 9-10, 1933, стр. 666-669.
    Для дальнейшей истории см. Z. BAKT Assis, MCD Neves: История температуры 2,7 К до Пензиаса и Уилсона. (PDF; 94,4 кБ).
  4. ↑ Арно Пензиас: Происхождение элементов, Нобелевская лекция (на английском языке ) Нобелевский фонд. 8 декабря 1978 г. Проверено 11 декабря 2009 г.
  5. ^ Роберт Вудро Вильсон: Космический микроволновый фон, Нобелевская лекция ( английский ) Нобелевский фонд. 8 декабря 1978 г. Проверено 11 декабря 2009 г.
  6. ↑ МакКеллар: Publ. Astron. Soc. Pacific, Vol. 52, 1940, p. 187, Vol. 53, 1941, p. 233, Publ. Dom. Astrophys. Обсерв., Том 7, 1941, № 15, с. 251.
  7. ↑ Там, стр. 496. Он писал: «Из отношения интенсивностей линий CN с K = 0 и K = 1 следует вращательная температура 2,3 К, что, конечно, имеет лишь очень ограниченное значение».
  8. ^ Пол А. Фельдман: Межзвездные молекулы с канадской точки зрения. Часть I: Ранние годы.
  9. ↑ Дорошкевич, Новиков. В кн . : Доклады АН СССР. Том 154, 1964, стр. 809. Эту историю также обсуждают Игорь Новиков, Дмитрий Новиков и Павел Насельский в их книге « Физика космического микроволнового фона», Cambridge University Press 2006, в частности, они отвергают мнение, опубликованное в Нобелевской лекции Пензиаса. В статье реликтовое излучение было бы исключено на основе измерений Ом, опубликованных в 1961 году.
  10. ↑ Исходные данные команды ФИРАС.
  11. ↑ Фиксен и др.: Космический микроволновый фоновый спектр из полных наборов данных COBE FIRAS. Астрофизический журнал, 473, 576, 1996.
  12. ↑ Г. Хиншоу и др.: Пятилетние наблюдения с помощью зонда Уилкинсона для микроволновой анизотропии (WMAP): обработка данных, карты звездного неба и основные результаты . В: Серия дополнений к астрофизическому журналу . Лента 180 , 17 октября 2008 г., стр. 225-245 , DOI : 10,1088 / 0067-0049 / 180/2/225 , Arxiv : 0803,0732 .
  13. ↑ б с д е е Питер Шнайдер: внегалактической астрономии и космологии. Спрингер, 2008.
  14. ↑ Пресс-релиз ЕКА , по состоянию на 6 февраля 2012 г.
  15. ↑ Мир физики. Проверено 6 февраля 2012 года.
  16. ↑ А. де Оливейра-Коста, среди прочего: Значимость колебаний самого большого масштаба реликтового излучения в WMAP . В: Physical Review D . 69, 2004, стр 063516.. Arxiv : астро-фот / 0307282 . DOI : 10.1103 / PhysRevD.69.063516 .
  17. ↑ DJ Шварц, в том числе: Является низким л микроволновое фоновое космическое? . В: Physical Review Letters . 93, 2004, стр 221301.. Arxiv : Астроны фот / 0403353 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.93.221301 .
  18. ↑ P. Bielewicz, KM Gorski, AJ Banday: Мультипольные карты низшего порядка анизотропии реликтового излучения, полученные из WMAP . В: Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 355, 2004, с. 1283. arxiv : astro-ph / 0405007 . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2004.08405.x .
  19. ↑ О. Пройс, Х. Диттус, К. Леммерцаль: Звезды и космос. Апрель 2007 г., стр. 34.
  20. ↑ Надатур Сешадри, Роберт Криттенден: Обнаружение интегрированного отпечатка космических сверхструктур Сакса-Вульфа с использованием подхода согласованного фильтра . В: Астрофизический журнал . 830, № 2016, 2016, стр. L19. Arxiv : 1608,08638 . bibcode : 2016ApJ ... 830L..19N . DOI : 10,3847 / 2041-8205 / 830/1 / L19 .
  21. ↑ Руари Маккензи: Доказательства против суперпустоты, вызывающей холодное пятно реликтового излучения . В: Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 470, No. 2, 2017, pp. 2328-2338. Arxiv : 1704,03814 . bibcode : 2017MNRAS.470.2328M . DOI : 10.1093 / MNRAS / stx931 . «Другое объяснение может заключаться в том, что Холодное пятно является остатком столкновения между нашей Вселенной и другой вселенной« пузыря »во время ранней фазы инфляции (Chang et al. 2009, Larjo & Levi 2010)».
  22. ^ ESA: Опубликованные статьи Planck. 21 марта 2013, доступ к 23 декабря 2016 .
  23. ↑ Персонал: Публикация результатов BICEP2 за 2014 год . 17 марта 2014 г. Проверено 18 марта 2014 г.
  24. ↑ Рон Коуэн: Открытие гравитационных волн теперь официально прекращено . В: природа , 30 января 2015 г.