CMB-strålning

Relikstrålning ( lat.  relictum  - kvarleva), kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning  - fyller jämnt universums termisk strålning som uppstod i en tid präglad av primär rekombination av väte . Den har en hög grad av isotropi och ett spektrum som är karakteristiskt för en absolut svart kropp med en temperatur på 2,72548 ± 0,00057 K [1] .

Existensen av CMB förutspåddes teoretiskt av Georgy Gamow 1948 som en del av Big Bang- teorin . Även om många aspekter av den ursprungliga Big Bang-teorin nu har reviderats, förblir grunderna som gjorde det möjligt att förutsäga den effektiva temperaturen hos CMB oförändrade. Dess existens bekräftades experimentellt 1965 . Tillsammans med den kosmologiska rödförskjutningen ses CMB som en av de viktigaste bekräftelserna på Big Bang-teorin.

Termen relikstrålning , som vanligtvis används i ryskspråkig litteratur, introducerades av den sovjetiske astrofysikern I.S. Shklovsky [2] .

Strålningens natur

Enligt Big Bang-teorin var det tidiga universum en het plasma bestående av elektroner , baryoner och ständigt utsända, absorberade och återutsända fotoner . Fotoner interagerade konstant med resten av plasmapartiklarna, kolliderade med dem och utbytte energi - under de första hundra tusen åren efter Big Bang, Thomson (vid energier mycket mindre än elektronmassan) [3] och Compton -spridning (framåt och bakåt, γ + e − ↔ γ + e − ), samt dubbel Compton-spridning ( γ + e ↔ γ + γ + e , effektiv vid temperaturer över 1 keV) och termisk bremsstrahlung (fria fria övergångar av elektroner i fältet för protoner och andra kärnor, e + p +e + p + + γ , dominerar vid temperaturer från 1 till 90 eV) [4] . Således var strålningen i ett tillstånd av termisk jämvikt med materia, och dess spektrum motsvarade spektrumet av en absolut svart kropp [5] .

När universum expanderade fick den kosmologiska rödförskjutningen plasman att svalna, och i ett visst skede fick bromsade elektroner möjlighet att kombineras med bromsade protoner ( vätekärnor ) och alfapartiklar ( heliumkärnor ) och bilda atomer (denna process är kallas rekombination ). Detta hände vid en plasmatemperatur på cirka 3000 K och en ungefärlig ålder av universum 380 000 år [6] . Det finns mer ledigt utrymme mellan partiklar, det finns färre laddade partiklar, fotoner sprids inte längre så ofta och kan nu röra sig fritt i rymden, praktiskt taget utan att interagera med materia. Relikstrålning och utgör de fotoner som vid den tiden emitterades av plasman i riktning mot jordens framtida plats. Dessa fotoner (på grund av den redan pågående rekombinationen) undgick spridning och når fortfarande jorden genom det expanderande universums rymd. Den observerade sfären som motsvarar ett givet moment kallas den sista spridningsytan [3] . Det är det mest avlägsna objektet som kan observeras i det elektromagnetiska spektrumet.

Som ett resultat av universums ytterligare expansion har den effektiva temperaturen för denna strålning minskat nästan till absoluta nollpunkten och är nu bara 2,725 K.

Forskningens historia

Första oavsiktliga upptäckten

1941 , när han studerade absorptionen av ljus från stjärnan ξ Ophiuchus av CN- molekyler i det interstellära mediet , noterade Andrew McKellar [7] [8] att absorptionslinjer observeras inte bara för denna molekyls markrotationstillstånd, utan också för den exciterade, och förhållandet mellan linjeintensiteterna motsvarar en temperatur på CN ~2,3 K. Vid den tiden förklarades inte detta fenomen [9] .

Förutsägelse

År 1948 förutspåddes CMB av Georgy Gamow , Ralph Alpher och Robert Herman, baserat på den första Hot Big Bang-teorin de skapade. Dessutom kunde Alfer och Herman fastställa att temperaturen på CMB skulle vara 5 K, och Gamow gav en förutsägelse på 3 K [10] . Även om vissa uppskattningar av temperaturen i rymden fanns innan detta, hade de flera nackdelar. För det första var detta mätningar av endast den effektiva temperaturen i rymden, det antogs inte att strålningsspektrumet följer Plancks lag . För det andra var de beroende av vår speciella placering vid kanten av Vintergatans galax och antog inte att strålningen är isotrop. Dessutom skulle de ge helt andra resultat om jorden befann sig någon annanstans i universum.

Bakgrund

År 1955 mätte en forskarstuderande radioastronom Tigran Aramovich Shmaonov vid Pulkovo-observatoriet , under ledning av de välkända sovjetiska radioastronomerna S. E. Khaikin och N. L. Kaidanovsky , radioemission från rymden vid en våglängd av 3,2 cm och upptäcktes experimentellt med mikrovågsstrålning. [11] . Slutsatsen från dessa mätningar var: "Det visade sig att det absoluta värdet av den effektiva temperaturen för bakgrundsradioemissionen ... är lika med 4 ± 3 K." Shmaonov noterade strålningsintensitetens oberoende från riktningen på himlen och från tid. Efter att ha disputerat publicerade han en artikel om detta i den icke-astronomiska tidskriften Instruments and Experimental Techniques [12] .

Upptäckt

Gamows resultat diskuterades inte brett. De erhölls dock återigen av Robert Dicke och Yakov Zel'dovich i början av 1960-talet.

1964 sporrade detta David Todd Wilkinson och Peter Roll, Dickes kollegor vid Princeton University , att utveckla Dicke- radiometern för CMB-mätningar.

1965 byggde Arno Penzias och Robert Woodrow Wilson från Bell Telephone Laboratories i Holmdale ( New Jersey ) ett instrument som liknade Dicke-radiometern, som de tänkte använda inte för CMB-sökningar, utan för experiment inom radioastronomi och satellitkommunikation . Vid kalibrering av uppställningen visade det sig att antennen hade en överdriven brustemperatur på 3,5 K, vilket de inte kunde förklara. När Dicke fick ett samtal från Holmdale sa han humoristiskt: "Gubbar, vi har blivit överhoppade!" ("Pojkar, vi har blivit scooped!"). Efter en gemensam diskussion drog Princeton- och Holmdale-grupperna slutsatsen att denna temperatur på antennen orsakades av CMB. 1978 fick Penzias och Wilson Nobelpriset för sin upptäckt .

Studie av inhomogeniteter

1983 genomfördes det första experimentet, RELIKT-1 , för att mäta den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen från en rymdfarkost. I januari 1992, baserat på analysen av data från RELICT-1-experimentet, tillkännagav ryska forskare upptäckten av reliktstrålningens anisotropi [13] . Lite senare tillkännagavs upptäckten av fluktuationer också av amerikanska forskare baserat på data från COBE- experimentet [14] . År 2006 tilldelades Nobelpriset i fysik till ledarna för COBE-gruppen, George Smoot och John Mather , för denna upptäckt , även om ryska forskare publicerade sina resultat före amerikanerna [15] [16] [17] [18] .

FIRAS fjärrinfraröda spektrofotometer på NASA:s COBE-satellit har gjort den mest exakta mätningen av CMB-spektrumet hittills. De bekräftade dess överensstämmelse med strålningsspektrumet för en absolut svart kropp med en temperatur på 2,725 K.

Den mest detaljerade kartan över den kosmiska mikrovågsbakgrunden byggdes som ett resultat av det amerikanska rymdskeppet WMAPs arbete .

Den 14 maj 2009 lanserades Planck- satelliten från European Space Agency [19] [20] . Det antogs att observationerna skulle fortsätta i 15 månader med en möjlig förlängning av flygningen med 1 år, och att bearbetningen av resultaten från detta experiment skulle tillåta oss att verifiera och förfina data som erhållits av WMAP.

Egenskaper

Spektrumet av relikstrålningen som fyller universum motsvarar strålningsspektrumet för en absolut svart kropp med en temperatur på 2,725 kelvin . Dess maximum inträffar vid en frekvens på 160,4 GHz ( mikrovågsstrålning ), vilket motsvarar en våglängd på 1,9 mm (se emissionsspektra i bilden till höger). Den är isotropisk till inom 0,01 % - temperaturstandardavvikelsen är cirka 18 µK. Detta värde tar inte hänsyn till dipolanisotropin (skillnaden mellan den kallaste och hetaste regionen är 6,706 mK [21] ) orsakad av Dopplerförskjutningen av strålningsfrekvensen på grund av vår egen hastighet i förhållande till referensramen associerad med CMB. Rödförskjutningen för den kosmiska mikrovågsbakgrunden överstiger något 1000 [22] .

Energitätheten för relikstrålning är 0,25 eV/cm 3 [23] (4⋅10 −14 J/m 3 ) eller 400-500 fotoner/cm 3 [24] .

Dipolanisotropi

Redan 1969 upptäcktes det att en dipolkomponent märktes urskiljs i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen: i riktning mot konstellationen Lejonet är temperaturen för denna strålning 0,1 % högre än i genomsnitt, och i motsatt riktning, av samma belopp lägre [25] . Detta faktum tolkas som en konsekvens av Dopplereffekten , som uppstår när solen rör sig i förhållande till bakgrundsbakgrunden med en hastighet av cirka 370 km/s mot konstellationen Lejonet. Eftersom solen kretsar runt galaxens centrum med en hastighet av ~220-230 km/s mot stjärnbilden Cygnus, och även rör sig i förhållande till centrum av den lokala gruppen av galaxer (en grupp av galaxer som inkluderar Vintergatan ) [26] , detta betyder att den lokala gruppen som helhet rör sig i förhållande till CMB med en hastighet av ungefär (enligt moderna data) km/s i riktning mot punkten med galaktiska koordinater , [27] [28] ( denna punkt ligger i stjärnbilden Hydra [29] ).

Det finns alternativa teorier som också kan förklara isoleringen av dipolkomponenten i CMB [30] .

Relation till Big Bang

Primär anisotropi

Polarisering

Relikstrålningen är polariserad vid en nivå av några µK . E-moden ( gradientkomponent ) och B-moden ( roterande komponent) [31] särskiljs i analogi med polariseringen av elektromagnetisk strålning . E-läget kan uppträda när strålning passerar genom en inhomogen plasma på grund av Thompson-spridning . B-läget, vars maximala amplitud endast når 0,1 μK , kan inte uppstå på grund av interaktion med plasman.

B-läget är ett kännetecken för universums uppblåsning och bestäms av tätheten hos primordiala gravitationsvågor . Observation av B-läget är utmanande på grund av den okända brusnivån för denna komponent i CMB, och även på grund av att B-läget blandas av svag gravitationslins med det starkare E-läget [32] .

Från och med 2015 finns det inga observationsbekräftelser på upptäckten av B-läget. Den 17 mars 2014 tillkännagav forskare vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics upptäckten av ett B-läge vid r = 0,2 [33] [34] [35] [36] [37] . En senare analys (publicerad den 19 september 2014), utförd av en annan grupp forskare med hjälp av data från Planck- observatoriet , visade dock att resultatet helt kan tillskrivas galaktiskt stoft [38] .

Sekundär anisotropi

Den sekundära anisotropin av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen uppstår under fortplantningen av fotoner på väg från ytan av den sista spridningen till observatören, till exempel spridning av en het gas eller passerar genom gravitationspotentialen [39] .

När CMB-fotoner började fortplanta sig obehindrat, var vanlig materia i universum mestadels i form av neutrala atomer av väte och helium. Men observationer av galaxer visar nu att det mesta av det intergalaktiska mediets volym består av joniserat material (eftersom det finns flera absorptionslinjer förknippade med väteatomer). Detta betyder att det fanns en period av återjonisering , under vilken en viss mängd materia i universum återigen bröts ner till joner och elektroner [40] .

Fotoner av mikrovågsstrålning sprids på fria laddningar, såsom elektroner, som inte är bundna i atomer. I ett joniserat universum slogs sådana laddade partiklar ut ur neutrala atomer genom joniserande ultraviolett strålning. Idag har dessa gratisladdningar en tillräckligt låg densitet i större delen av universums volym, så att de inte nämnvärt påverkar CMB. Men om det intergalaktiska mediet joniserades i de mycket tidiga stadierna av expansionen, när universum var mycket tätare än det är nu, borde detta ha två huvudsakliga konsekvenser för CMB:

Båda dessa effekter observerades av rymdteleskopet WMAP, vilket indikerar att universum joniserades i mycket tidiga skeden (vid en rödförskjutning på mer än 17). Ursprunget till denna tidiga joniserande strålning är fortfarande en fråga för vetenskaplig debatt. Denna strålning inkluderar möjligen ljuset från de allra första stjärnorna, supernovor , som resulterade från utvecklingen av dessa stjärnor, och joniserande strålning från ansamlingsskivorna av massiva svarta hål .

Två andra effekter som uppstod under perioden mellan återjonisering och våra observationer av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning och som är orsaken till fluktuationer: Sunyaev-Zeldovich-effekten , som består i att ett moln av högenergielektroner sprider kosmiska mikrovågsbakgrundsfotoner och överför en del av sin energi till dem, och Sachs-Wolff-effekten , som orsakar en förskjutning i fotonspektrat från den kosmiska mikrovågsbakgrunden till den röda eller violetta regionen av spektrumet på grund av en förändring i gravitationsfältet. Dessa två effekter är relaterade till påverkan av strukturer i det sena universum (rödförskjutning är mindre än eller i storleksordningen 1). Å ena sidan leder de till suddighet av CMB-spektrumet, eftersom de är överlagrade på den primära anisotropin; å andra sidan gör de det möjligt att få information om förekomsten av strukturer i det sena universum, samt att följa deras utveckling [39] .

CMB-observationer

Radioteleskop i Antarktis :

Rymdradioteleskop :

Analys

Analysen av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen för att erhålla dess kartor, vinkeleffektspektrumet och i slutändan de kosmologiska parametrarna är en komplex, beräkningsmässigt svår uppgift. Även om beräkningen av effektspektrumet från kartan i grunden är en enkel Fouriertransform som representerar sönderdelningen av bakgrunden till sfäriska övertoner , är det i praktiken svårt att ta hänsyn till bruseffekter .

För dataanalys används specialiserade paket:

Varje paket använder sitt eget CMB-kartalagringsformat och sina egna bearbetningsmetoder.

Svaga multipoler

Under kosmologisk inflation , i den första sek. efter Big Bang orsakar kvantfluktuationer inhomogeniteter i materiens täthet i universum, som sedan börjar svänga i form av stående (på grund av rymdens snabba expansion) akustiska vågor med samma inledande fas. Under emissionen av relikstrålning kommer inhomogeniteterna i materia att pekas ut och undertryckas beroende på den aktuella fasen av vågen. I figuren bildades maximum av relikstrålningen på grund av akustiska vågor som hade en fas vid tiden för rekombinationen . De återstående maxima uppstod som ett resultat av vågor med faser , , ... [43]

I kulturen

I den oavslutade science fiction-serien Stargate: Universe är CMB-forskning huvuduppdraget för Destiny, ett obemannat skepp av rasen Ancients . Enligt seriens mytologi slår de gamla fast att den kosmiska mikrovågsbakgrunden innehåller en komplext strukturerad signal och möjligen är konstgjord. Men efter att ha påbörjat experimentet för miljoner år sedan, slutförde de gamla aldrig det på grund av sin uppstigning. När serien börjar fortsätter Destiny sin automatiska resa miljontals ljusår från jorden till den förmodade signalkällan, i väntan på att dess skapare ska återvända.

Se även

Anteckningar

  1. Fixsen, DJ Temperaturen på den kosmiska mikrovågsbakgrunden  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 2009. - Vol. 707 . - P. 916-920 . - doi : 10.1088/0004-637X/707/2/916 . - . - arXiv : 0911.1955 .
  2. Shklovsky I. S., Universum, liv, sinne. M.: Nauka., 1987 . Hämtad 27 september 2007. Arkiverad från originalet 18 april 2008.
  3. 1 2 D. Yu. Klimushkin, S. V. Grablevsky. Kapitel 5. Relikstrålning och teorin om det heta universum, § 5.3. Materia och strålning i ett hett expanderande universum . Kosmologi (2001). Hämtad 11 maj 2013. Arkiverad från originalet 12 mars 2016.
  4. Gawiser E. , Silk J. Den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen  //  Physics Reports. - 2000. - Vol. 333-334 . - S. 245-267 . - doi : 10.1016/S0370-1573(00)00025-9 . - arXiv : astro-ph/0002044 .
  5. Det bör noteras att Compton-spridning (och Thomson-spridning, som dess lågenergigräns) inte i sig kan fastställa Planck-formen på spektrumet, eftersom den inte ändrar antalet fotoner; en viktig roll i bildandet av det termiska spektrumet spelas av dubbel Compton-spridning och bremsstrahlung, se ovan citerade arbete (Gawiser & Silk, 2000).
  6. Planck och den kosmiska mikrovågsbakgrunden . Europeiska rymdorganisationen (ESA). Hämtad 1 april 2019. Arkiverad från originalet 1 april 2019.
  7. A. McKellar. Molekylära linjer från de lägsta tillstånden av diatomiska molekyler som består av atomer som troligen finns i det interstellära rymden // Publikationer från Dominion Astrophysical Observatory. - 1941. - Vol. 7. - S. 251. - .
  8. A. McKellar. Problemen med möjlig molekylär identifiering för interstellära linjer  // Publikationer från Astronomical Society of the Pacific  . - 1941. - Vol. 53 , nr. 314 . - S. 233-235 . - doi : 10.1086/125323 . - .
  9. Zeldovich Ya. B., Novikov I. D. Universums struktur och evolution. - M. : Nauka, 1975. - S. 156. - 736 sid.
  10. Physics Today , 1950, nr 8, s. 76
  11. Online-uppslagsverket "Circumnavigation" . Datum för åtkomst: 22 oktober 2009. Arkiverad från originalet den 24 januari 2010.
  12. Shmaonov, T. A. (1957). "Metod för absoluta mätningar av den effektiva temperaturen för radioemission med låg ekvivalent temperatur". Instrument och teknik för experimentet [ rus. ]. 1 : 83-86.
  13. Strukov IA et al. Relikt-1-experimentet - Nya resultat  // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  . - Oxford University Press , 1992. - Vol. 258 . - S. 37P-40P .
  14. Smooth G. F. et al. Struktur i COBE-differentialmikrovågsradiometerns förstaårskartor  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 1992. - Vol. 396 . - P. L1-L5 .
  15. Missade möjligheter | Analys och kommentarer | RIA Novosti nyhetsflöde  (otillgänglig länk)
  16. don_beaver - "Relic" och "COBE": det förlorade Nobelpriset . Hämtad 26 juni 2020. Arkiverad från originalet 5 mars 2021.
  17. John Mather: "Reliktmedlemmar fick många värdefulla resultat, men våra blev bättre" . Hämtad 14 april 2013. Arkiverad från originalet 16 april 2013.
  18. Skulachev D. , De var de första. . Hämtad 14 april 2013. Arkiverad från originalet 21 mars 2012.
  19. Planck uppdragets officiella webbplats Arkiverad 19 oktober 2009 på ESA Wayback Machine
  20. Meddelande på webbplatsen Astronet.ru . Hämtad 28 oktober 2009. Arkiverad från originalet 26 november 2009.
  21. WMAP . Hämtad 17 december 2006. Arkiverad från originalet 9 december 2006.
  22. http://elementy.ru/news/430163 Arkivkopia daterad 22 januari 2009 på Wayback Machine Results of the WMAP-satellit
  23. Relikutstrålning i Encyclopedia Around the World . Datum för åtkomst: 22 oktober 2009. Arkiverad från originalet den 24 januari 2010.
  24. ^ Mikrovågsbakgrundsstrålning i Physical Encyclopedia . Hämtad 6 december 2014. Arkiverad från originalet 11 december 2014.
  25. Wright EL Historia av CMB-dipolanisotropin . Hämtad 14 juni 2014. Arkiverad från originalet 25 juni 2010.
  26. Chernin A. D., Stars and Physics, M .: Nauka, 1984, sid. 152-153
  27. Kogut, A.; et al. Dipolanisotropi i COBE Differential Microwave Radiometers First-Year Sky Maps  //  The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 1993. - Vol. 419 . - S. 1-6 . - doi : 10.1086/173453 .
  28. APOD: 6 september 2009 - CMBR Dipole: Hastighet genom universum . Hämtad 3 november 2009. Arkiverad från originalet 16 januari 2011.
  29. Vart är vi på väg? . Datum för åtkomst: 13 maj 2013. Arkiverad från originalet den 8 februari 2013.
  30. Inoue, KT; Silk, J. Local Voids as the Origin of Large-Angle Cosmic Microwave Background Anomalies: The Effect of a Cosmological Constant  //  The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 2007. - Vol. 664 , nr. 2 . - S. 650-659 . - doi : 10.1086/517603 .
  31. CMB-polarisering (inte tillgänglig länk) . Hämtad 17 november 2009. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011. 
  32. Lewis, A.; Challinor, A. Svag gravitationslinsning av CMB // Fysikrapporter . - 2006. - T. 429 . - S. 1-65 . - doi : 10.1016/j.physrep.2006.03.002 .
  33. Clavin, Whitney. NASA Technology ser på universums födelse  . NASA (17 mars 2014). Hämtad 18 mars 2014. Arkiverad från originalet 20 maj 2019.
  34. Dennis Overbye . Upptäckt av vågor i rymdsträvor Landmark Theory of Big Bang  . New York Times (17 mars 2014). Hämtad 18 mars 2014. Arkiverad från originalet 14 juni 2018.
  35. Jonathan Amos. Big Bang gravitationsvåg upptäckt . BBC rysk tjänst (18 mars 2014). Datum för åtkomst: 18 mars 2014. Arkiverad från originalet 20 mars 2014.
  36. David A. Aguilar, Christine Pulliam. Första direkta beviset på kosmisk inflation  . Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (17 mars 2014). Hämtad 17 mars 2014. Arkiverad från originalet 29 april 2014.
  37. Ira Solomonova. Nästan otroligt! Fysiker bevisade först existensen av gravitationsvågor . Snabb Slon . Slon.ru (17 mars 2014). Datum för åtkomst: 17 mars 2014. Arkiverad från originalet 18 mars 2014.
  38. Ivanov Igor. Nya data från Planck-observatoriet stängde av en alltför optimistisk tolkning av BICEP2- resultaten . "Elements.ru" (21 september 2014). Hämtad 5 juni 2015. Arkiverad från originalet 6 oktober 2014.
  39. 1 2 Gobunov D.S., Rubakov V.A. Introduktion till teorin om det tidiga universum: Kosmologiska störningar. inflationsteori . - M. : KRASAND, 2010. - S. 276-277. — 555 sid. - ISBN 978-5-396-00046-9 . (Tillgänglig: 17 april 2013)  
  40. Gobunov D.S., Rubakov V.A. Introduktion till teorin om det tidiga universum: Hot Big Bang Theory. - M. : LKI, 2006. - S. 35-36. — 552 sid. - ISBN 978-5-382-00657-4 .
  41. Ett radioteleskop i Antarktis registrerade polariseringen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden Arkivkopia daterad 2 november 2012 på Wayback Machine // 2002-09-21
  42. Det amerikanska teleskopet i Antarktis fångade det första kvanta av "ekot" av Big Bang of the Universe Arkivexemplar av 10 augusti 2014 på Wayback Machine // 28 februari 2007
  43. Boris Stern , Valery Rubakov Astrofysik. Trinity alternativ. - M., AST, 2020. - sid. 93-104

Litteratur

Länkar