Речовина і випромінювання в гарячому Всесвіту

У цьому розділі ми підемо у зворотному напрямку: знаючи, що в минулому речовина Всесвіту було щільним і гарячим, ми прийдемо до висновку про необхідність існування реліктового випромінювання.

Відповідно до теорії Гамова, розвиненою їм разом зі своїми учнями Р.Альфером і Р.Херманом, на початку існування Всесвіту речовина було підігрітий до дуже високої температури і являло собою дуже щільний іонізований газ (плазму). Існування помітної кількості нейтральних атомів тоді було неможливо, оскільки енергія їх теплового руху була така велика, що при взаємних зіткненнях вони неминуче розпадалися б на свої складові частини – ядра і електрони.

Крім ядер і електронів, в гарячій і щільній плазмі має бути присутнім електромагнітне випромінювання. Пов’язано це з тим, що при прольоті друг повз одного електрично заряджені частинки (електрони та іони) відчувають, відповідно до закону Кулона, сильне прискорення. Але з електродинаміки випливає, що прискорено рухається заряджена частинка випромінює електромагнітні хвилі. Це випромінювання носить назву вільно-вільного, оскільки воно виникає при взаємодії вільних (не пов’язаних в атоми) частинок.

З іншого боку, електромагнітне випромінювання в плазмі повинно поглинатися. Дійсно, уявімо собі взаємодію вільного електрона з електромагнітної хвилею. В поле цієї хвилі електрон відчуває прискорення. Це означає, що частина енергії електромагнітних хвиль переходить у кінетичну енергію електронів. Правда, рухаючись прискорено, електрон негайно випромінює іншу електромагнітну хвилю, поле якої додається до поля вихідної хвилі. З боку це виглядатиме так, що фотон (квант енергії електромагнітного поля) сильно змінює напрямок свого поширення. На честь відкрив це явище фізика воно називається розсіюванням Томсона. Наслідком розсіювання є той факт, що плазма на ранніх стадіях розширення Всесвіту є непрозорою: фотон, випущений в будь-якій точці А в напрямі точки В, з переважною ймовірністю не досягне точки В (рис. 5.3.1).

Рис. 5.3.1. Схема будови спостерігається області світобудови відповідно до теорії гарячого Всесвіту. Показані траєкторії променів світла до рекомбінації (в непрозорій Всесвіту) і після рекомбінації. Зауважимо, що цей малюнок має важливу недоліком: він не відображає той факт, що площа горизонту дорівнює нулю. Для того, щоб відбити цей факт, нам довелося б зображати цей малюнок не на площині, а на кривій поверхні.

Таким чином, в гарячій плазмі є два конкуруючих явища: випромінювання і поглинання світла. Переважав чи в розширення Всесвіту один з них або вони були взаємно врівноважені? Для відповіді на це питання необхідно згадати про найважливіше понятті термодинаміки – тепловому (термодинамическом) рівновазі.

Уявімо собі теплоізольований посудину, наповнений яким-небудь речовиною (газом, плазмою, випромінюванням). Нехай в деякий початковий момент часу частинки цієї речовини володіють довільним розподілом по енергії, їх концентрація і середня енергія сильно змінюються від точки до точки. Основне твердження термодинаміки полягає в тому, що, яке б не було початковий стан речовини в посудині, через якийсь час (зване часом релаксації) його вміст прийде до стану теплового рівноваги, що характеризується тим, що розподіл часток газу або плазми по енергії підкоряється закону Максвелла-Больцмана, спектр випромінювання (залежність енергії від частоти) – закону Планка, щільність і температура в кожній точці однакова, всі напрямки руху атомів, електронів, іонів і фотонів різновірогідні. Якщо в посудині є два різних роду речовин, їх температури в тепловій рівновазі однакові. Якщо в посудині встановилося теплова рівновага, воно буде існувати там вічно, якщо тільки воно не буде порушено будь-яким зовнішнім впливом. Тому в термодинамічно рівноважної плазмі процеси випускання і поглинання фотонів повинні повністю врівноважувати один одного.

Чи застосовно поняття теплового рівноваги до плазми, заповнювала розширюється Всесвіт на початку її існування? Відповідь на це питання позитивний, якщо час релаксації багато менше віку Всесвіту, оскільки тільки в цьому випадку плазма встигне досягти рівноважного стану. Розрахунки показують, що в ранньому Всесвіті це нерівність виконувалося з величезним запасом. Звідси випливає висновок, що в космологічної плазмі мало існувати випромінювання з планківських спектром (спектром абсолютно чорного тіла). Вперше це було встановлено Гамовим і його учнями.

З плином часу суміш плазми і випромінювання розширюється і остигає. Приблизно через 300 тис. Років після початку розширення речовина остигає до температури T ~ 3000 K, при якій тепловий рух і удари високоенергічних фотонів вже не в змозі перешкоджати утворенню атомів. Тоді плазма перетворюється на звичайний нейтральний газ (це явище називається рекомбінацією). Речовина, що складається з нейтральних атомів, майже прозоро для випромінювання, тому фотони, випущені в момент рекомбінації, рухаються по прямих лініях (cм. Рис. 5.3.1) і вільно доходять до земного спостерігача. За принципом “чим далі – тим молодше” момент рекомбінації відповідає межі області Всесвіту, прорзрачной для випромінювання (ця межа ще називається поверхнею останнього розсіювання). Червоне зміщення поверхні останнього розсіювання z ~ 1000.

Тому реліктове випромінювання несе інформацію про Всесвіт, якою вона була у віці, що складав всього близько 0.002% нинішнього. При русі світла у Всесвіті його температура постійно падає (через червоного зсуву) і в даний час вона становить лише близько 3 K. Існування реліктового випромінювання з майже ідеально планківських спектром, передбачене Гамовим і його учнями, є ще одним (після пророцтва розширення Всесвіту Фрідманом і Леметром) блискучим прикладом наукового передбачення в космології.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Планета Марс: реферат