Реліктове випромінювання Всесвіту

Астрономічні спостереження показують, що, крім окремих джерел випромінювання у вигляді зірок і галактик, у Всесвіті є випромінювання, неподілюваний на окремі джерела – фонове випромінювання. Воно спостерігається у всіх діапазонах електромагнітного спектру. В основному фонове випромінювання є сума світіння різних джерел (галактик, квазарів, міжгалактичного газу), настільки далеких, що сучасні засоби астрономічних спостережень поки не можуть розділити їх сумарне випромінювання на окремі складові (згадаємо, що і Чумацький Шлях аж до XVII століття вважався суцільною смугою світла, і тільки в 1610 році Галілео Галілей, розглянувши його в телескоп, виявив, що він складається з окремих зірок).

У 1965 р американські радіоінженери А. Пензиас і Р. Вільсон виявили фонове випромінювання в мікрохвильовому діапазоні (довжина хвилі від 300 мкм до 50 см, частота від 6 · 108 Гц до 1012 Гц). На цих частотах електромагнітних хвиль просто немає джерел, які могли б дати фонове випромінювання такої яскравості. Це випромінювання дуже однорідно: з точністю до тисячних часток відсотка його інтенсивність постійна по всьому небу. Зауважимо, що кілька відсотків того “снігу”, який виникає на екрані телевізора на ненастроенном каналі, обумовлені як раз мікрохвильовим фоновим випромінюванням.

Головною властивістю мікрохвильового фонового випромінювання є його спектр (тобто розподіл інтенсивності в залежності від частоти або довжини хвилі), показаний на рис. 5.1.2. Спектр цього випромінювання в точності лягає на теоретичну криву, добре відому фізиці – криву Планка. Спектр такого типу носить назву спектру випромінювання абсолютно чорного тіла. Такий спектр характерний для повністю непрозорого нагрітого речовини. Температура мікрохвильового випромінювання становить близько 3 К (точніше, 2.728 К). Складанням випромінювань будь-яких джерел неможливо домогтися того, щоб вийшов планківських спектр. Найбільш надійне підтвердження планковского характеру спектра реліктового випромінювання було отримано за допомогою американського супутника COBE (Cosmic Background Explorer, Дослідник космічного фону) в 1992 році.

Рис. 5.1.2. Спектр реліктового випромінювання (за даними космічного апарату COBE). По вертикальній осі відкладена інтенсивність випромінювання в одиницях Ян / стерад (1 Янський = 10-26 Дж / м2). По горизонтальній осі – частота, поділена на швидкість світла. Суцільною лінією показаний спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі T = 2.7277 K. Вертикальні відрізки показують помилки вимірювання інтенсивності випромінювання з борту COBE, збільшені в 400 разів. Посилання на джерело.

 

Тут ρν – спектральна щільність випромінювання (енергія випромінювання, що припадає на одиничний об’єм і на одиничний інтервал частот), ν – частота, h – постійна Планка, c – швидкість світла, k – постійна Больцмана, T – температура випромінювання.

Мікрохвильове випромінювання Всесвіту інакше називається реліктовим. Така назва пов’язана з тим, що воно несе в собі інформацію про фізичні умови, що панували у Всесвіті тоді, коли ще не встигли утворитися зірки і галактики. Сам факт існування цього випромінювання говорить про те, що в минулому властивості Всесвіту були істотно іншими, ніж в даний час. Для обгрунтування цього висновку наведемо такий логічний ланцюжок.

Оскільки спектр реліктового випромінювання є спектром абсолютно чорного тіла, це випромінювання формується повністю непрозорим нагрітим тілом.
Оскільки це випромінювання рівномірно приходить до нас з усіх боків, ми з усіх боків оточені якимось непрозорим тілом.
Однак Всесвіт – в сучасному її вигляді – майже повністю прозора для радіохвиль в мікрохвильовому (міліметровому і сантиметровому) діапазоні. Стало бути, речовина, що випускає це випромінювання, відстоїть від нас набагато далі, ніж будь-які спостережувані об’єкти – галактики, квазари і т.д. Згадуючи принцип “чим далі в просторі – тим глибше в часі”, ми приходимо до висновку, що Всесвіт був повністю непрозорою в глибокому минулому, коли ще не утворилися зірки і галактики; а раз непрозорою, значить, дуже щільною. Мікрохвильове фонове випромінювання є реліктом, що залишився від тієї далекої епохи.
Відзначимо, що майже ідеальна однорідність цього випромінювання – кращий доказ на користь космологічного принципу, на користь однорідності Всесвіту на великих масштабах.

Посилання на основну публікацію