Слабкі відхилення від однорідності фону реліктового випромінювання

Як вже було зазначено в §3.3, спостереження за допомогою сучасних телескопів дозволяють встановити, що з плином часу газ у Всесвіті поступово переходив у зірки, що входять до складу галактик. Це підтверджує загальну картину процесу утворення структури Всесвіту – гравітаційноїконденсації різних систем з газу. Довгі роки астрономи безуспішно шукали сліди тих найдавніших неоднорідностей, з яких, відповідно до теорії, повинні були з’явитися галактики та їх системи. Оскільки до складу первинного звуку, що існував ще до рекомбінації, входив нарівні з речовиною ще й світло, ці звукові хвилі повинні віддрукуватися у вигляді слабких неоднорідностей в розподілі реліктового випромінювання по небу. Ці неоднорідності повинні проявлятися як плями (флуктуації) з підвищеною і зниженою температурою на мапі мікрохвильового фону Всесвіту. Спеціально для пошуків цих флуктуацій в нашій країні і в США були запущені два супутники, обладнані чутливими радіоантенами (експерименти Реликт і COBE, відповідно). На початку 1992 року і російська, і американська групи, провідні обробку інформації з цих супутників, заявили про виявлення флуктуацій мікрохвильового випромінювання з передбаченими властивостями; зауважимо, що для цього треба було створення радіотермометрії, чутливих до змін температури в стотисячні частки градуса! Пізніше це відкриття було підтверджено і за допомогою наземних прийомів.

Безсумнівно, відкриття флуктуацій реліктового фону є одним з видатних подій в науці в останні роки. Адже виявлені сліди предків сьогоднішніх галактик і їх скупчень, що існували у Всесвіті, коли його вік був не більше мільйона років. Якщо перевести час існування Всесвіту в масштаб людського життя, вік цих прото-структур відповідає віку одноденного немовляти! Крім того, саме існування цих флуктуацій підтверджує правильність теорії Великого Вибуху – теорії еволюції Всесвіту в цілому. Важливість цього відкриття обумовлена ​​також тим, що флуктуації реліктового випромінювання несуть в собі інформацію про геометрію Всесвіту.

Для того, щоб кількісно охарактеризувати флуктуації мікрохвильового фону, використовують мультипольного момент l – число, що показує, скільки разів флуктуації з даними кутовим розміром укладаються на небі. Наприклад, на небі поміщається дві флуктуації з l = 2. Кутовий розмір флуктуації і величина l пов’язані між собою наближеним співвідношенням Θ ° ≈200 / l.

Наприклад, флуктуації з l = 2 соответвует кутовий розмір 100 градусів. На мікрохвильовому небі можна виділити плями різного кутового розміру, при цьому кожному кутовому розміру відповідає свій характерний перепад температури реліктового випромінювання. Основний внесок у анизотропию у великих кутових масштабах (більше десяти градусів, l <20) вносить гравітаційне червоне зміщення, що полягає в тому, що світло, що виходить з областей, де щільність матерії вище середньої, відчуває червоний зсув, тобто їх випромінювання зміщено в бік більших довжин хвиль. І навпаки, випромінювання з більш розріджених областей відчуває синє зміщення. До нас доходить лише світло з поверхні останнього розсіювання, тому випромінювання з більш далеких областей поглиналося космічної плазмою (відповідно до принципу “чим далі – тим молодше”, більш далекі області відповідають стану Всесвіту до рекомбінації, коли всі речовина Всесвіту було плазмою, непрозорою для електромагнітного випромінювання). Тому області з підвищеною щільністю повинні виділятися на загальному тлі реліктового випромінювання як більш “червоні” (рис. 6.6.1).

Рис. 6.6.1. Гравітаційне червоне зміщення випромінювання від областей з підвищеною і зниженою щільністю речовини у Всесвіті.

Рис. 6.6.2. Флуктуації реліктового випромінювання (за даними COBE). Посилання на джерело.

За законом Вина вони повинні виглядати також як більш холодні, а за законом Стефана-Больцмана – як більш темні. Відповідно, більш розріджені області мають виглядати більш “синіми”, більш гарячими і більш яскравими. Саме це і було відкрито за допомогою вищезазначених космічних апаратів (рис. 6.6.2).

На менших кутових масштабах головний внесок в освіту флуктуацій вносить ефект Силка, що полягає в тому, що в областях згущення речовини повинно також згущуватися і випромінювання, що призводить до збільшення яскравості мікрохвильового фону в цьому місці. Іншим важливим фактором є ефект Доплера, виникає через рух гарячої плазми відносно космічної системи відліку. Так, в тих областях, де речовина рухається у напрямку до Землі, випромінювання відчуває синє зміщення, що приводить до підвищення температури реліктового фону. Згідно з теоретичними оцінками, найбільш “контрастні” неоднорідності реліктового фону повинні мати кутові розміри близько одного градуса (l = 200); їх неможливо було розгледіти за допомогою апаратів COBE і Реликт, що мали значно гіршу “гостроту зору”. Саме такі кутові розміри мають звукові хвилі в ранньому Всесвіті при спостереженнях із Землі. Як показують розрахунки (перші з яких були проведені А.Д. Сахаровим ще в 60-х роках), найбільшу амплітуду повинні мати акустичні хвилі, довжина яких дорівнює довжині звукового горизонту – відстань, пройдену звуком у Всесвіті за весь час від Великого Вибуху до рекомбінації , тобто за 300 тисяч років. Точний кутовий розмір цих флуктуацій, званих акустичним піком, безпосередньо залежить від геометрії Всесвіту. Справа в тому, що випромінювання від первинних неоднорідностей до нас поширюється по найліпшим лініях, які в евклідовому просторі (тобто якщо щільність всіх видів матерії точно дорівнює критичній) є прямими, в просторі Лобачевського (щільність матерії нижче критичної) – гіперболами, і в просторі Рімана (щільність вище критичної) – дугами кіл. Тому, як показано на (рис. 6.6.3), якщо Всесвіт замкнута, то акустичний пік має припадати на великі кутові розміри, ніж у випадку відкритої Всесвіту.

Останні (2000-2001 рр.) Великі досягнення в дослідженні реліктового випромінювання пов’язані з роботою проектів BOOMERANG (рис. 6.6.4), MAXIMA і DASI. У всіх трьох експериментах мікрохвильове небо досліджувався за допомогою приладів, що піднімаються за допомогою аеростатів в Антарктиці. Детальніше розглянемо проект BOOMERANG (рис. 6.6.4). На рис. 6.6.5 показано розподіл перепаду температури в залежності від l, причому спостережні дані нанесені у вигляді червоних гуртків, теоретичні передбачення в рамках найбільш відповідної моделі Всесвіту (при постійної Хаббла 70 км / (с · Мпк), щільності матерії 31% критичної, щільності вакууму 75% критичної) – у вигляді синьої кривої. Як видно з малюнка, за вимірюваннями в ході виконання цього проекту з’ясувалося, що акустичний пік якраз і припадає на 1 градус, тобто наш Всесвіт з великим ступенем точності має геометрію Евкліда. Дані проектів MAXIMA і DASI підтверджують цей висновок. Зауважимо, що перепад температури реліктового випромінювання, відповідний акустичному піку, за вимірюваннями в проекті BOOMERANG склав всього 69 мікрокельвіна.

Слід зауважити, що якщо сумарна щільність енергії речовини і вакууму лише ненабагато відрізняється від критичної, то відмінність геометрії Всесвіту від евклідової неможливо виявити в поточних експериментах. Таким чином, поки ще рано говорити про те, що ми володіємо остаточним знанням геометрії простору.

В даний час плануються ще декілька проектів з дослідження флуктуацій реліктового випромінювання. У їх числі запуски двох космічних апаратів – MAP в США і Plank в Європі (аналогічний проект, Реликт-2, розроблявся і в Росії, але його реалізація відкладена через відсутність фінансування). У ході досліджень за цими проектами вчені планують отримати більш надійну інформацію про деталі теорії утворення галактик і про основні параметри моделі Всесвіту, включаючи постійну Хаббла, відношення середньої щільності Всесвіту до критичної (з урахуванням всіх видів матерії), космологічної постійної і т.д.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Комета Хейла-Боппа