Oppdagelse av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling. Hva er CMB Hva er CMB

CMB-stråling er bakgrunnsmikrobølgestråling som er lik i alle retninger og har et spektrum som er karakteristisk for en svart kropp ved en temperatur på ~ 2,7 K.

Det antas at fra denne strålingen kan man finne ut svaret på spørsmålet: hvor kom det fra? Faktisk er den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen det som er igjen fra "konstruksjonen av universet" da den begynte å dukke opp etter utvidelsen av tett, varmt plasma. For å gjøre det lettere å forstå hva kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling er, la oss sammenligne det med restene av menneskelig aktivitet. En person finner for eksempel på noe, andre kjøper det, bruker det og kaster avfall. Så søppel (selve resultatet av menneskeliv) er en analog av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling. Du kan finne ut alt fra søppel - hvor en person var i et bestemt tidsrom, hva han spiste, hva han hadde på seg, og til og med hva han snakket om. Også kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling. Basert på egenskapene prøver forskere å bygge et bilde av øyeblikket av big bang, som kan gi et svar på spørsmålet: hvordan så universet ut? Men likevel skaper lovene for bevaring av energi visse uenigheter om opprinnelsen til universet, fordi ingenting kommer fra ingensteds og går ingensteds. Dynamikken i universet vårt er overganger, endringer i egenskaper og tilstander. Dette kan observeres selv på planeten vår. For eksempel dukker kulelyn opp i en sky av vannpartikler?! Hvordan? Hvordan kan dette være? Ingen kan forklare opphavet til visse lover. Det er bare øyeblikk av oppdagelsen av disse lovene, akkurat som historien til oppdagelsen av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling.

Historiske fakta om studiet av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling

CMB ble først nevnt av Georgiy Antonovich Gamow (George Gamow) da han prøvde å forklare big bang-teorien. Han antok at noe gjenværende stråling fylte rommet til et stadig ekspanderende univers. I 1941, mens han studerte absorpsjonen av en av stjernene i Ophiuchus-hopen, la Andrew McKellar merke til spektrale absorpsjonslinjer av lys som tilsvarte en temperatur på 2,7 K. I 1948 fastslo Georgi Gamow, Ralph Alfert og Robert Herman temperaturen på kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling ved 5 K. Senere foreslo Georgy Gamow en temperatur lavere enn den kjente på 3 K. Men dette var bare en overfladisk studie av dette faktum, ukjent for noen på den tiden. På begynnelsen av 60-tallet oppnådde Robert Dicke og Yakov Zeldovich de samme resultatene som Gamow ved å registrere bølger hvis strålingsintensitet ikke var avhengig av tid. De nysgjerrige sinnene til forskerne måtte lage et spesielt radioteleskop for mer nøyaktig å registrere den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. På begynnelsen av 80-tallet, med utviklingen av romindustrien, begynte kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling å bli studert mer nøye fra et romfartøy. Det var mulig å etablere isotropi-egenskapen til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen (de samme egenskapene i alle retninger, for eksempel 5 trinn mot nord på 10 sekunder og 5 trinn mot sør på 10 sekunder). I dag fortsetter studier av egenskapene til relikviestudiet og historien om dens forekomst.

Hvilke egenskaper har reliktstråling?

CMB-spektrum fra data innhentet ved hjelp av FIRAS-instrumentet om bord på COBE-satellitten

Spekteret til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen er 2,75 Kelvin, som ligner på sot avkjølt til denne temperaturen. Et slikt stoff absorberer alltid stråling (lys) som faller inn på det, uansett hvordan du påvirker det. Enten stikk den i en magnetisk spole, kast den mot en atombombe, eller lys den med søkelys. Et slikt legeme avgir også lite stråling. Men dette beviser bare det faktum at ingenting er absolutt. Du kan alltid utlede en ideell lov i uendelig lang tid, oppnå maksimum av en viss egenskap til noe, men en liten mengde treghet vil alltid forbli.

Interessante fakta knyttet til studiet av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling

Den maksimale frekvensen til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen ble registrert ved 160,4 GHz, som er lik en 1,9 mm bølge. Og tettheten til slik stråling er 400-500 fotoner per cm 3. CMB-stråling er den eldste, eldste strålingen som kan observeres generelt i universet. Hver partikkel tok 400 000 år å nå jorden. Ikke kilometer, men år! I følge satellittobservasjoner og matematiske beregninger ser det ut til at den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen står stille, og alle galakser og konstellasjoner beveger seg i forhold til den med enorme hastigheter, i størrelsesorden hundrevis av kilometer i sekundet. Det er som å se et tog i bevegelse gjennom vinduet. Temperaturen til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen i retning av konstellasjonen er 0,1 % høyere, og i motsatt retning er den 0,1 % lavere. Dette forklarer solens bevegelse mot denne konstellasjonen i forhold til reliktbakgrunnen.

Hva gir studiet av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling oss?

Det tidlige universet var kaldt, veldig kaldt. Hvorfor var universet så kaldt, og hva skjedde da utvidelsen av universet begynte? Det kan antas at det på grunn av det store smellet ble frigjort en enorm mengde energiklumper utenfor universet, deretter kjølte universet seg ned, nærmest frøs, men over tid begynte energien å samle seg til klumper igjen, og en viss reaksjonen oppsto, som startet prosessen med utvidelse av universet. Hvor kommer så mørk materie fra og samhandler den med den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen? Kanskje er den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen et resultat av nedbrytningen av mørk materie, som er mer logisk enn gjenværende stråling fra Big Bang. Siden mørk energi kan være antimaterie og partikler av mørk materie, som kolliderer med materiepartikler, danner stråling i den materielle og antimaterielle verden, lik reliktstråling. I dag er dette det nyeste, uutforskede vitenskapsområdet der man kan oppnå suksess og bli innprentet i vitenskapens og samfunnets historie.

Hva indikerer "relikt"-stråling?

Kosmisk bakgrunnsstråling kalles kosmisk bakgrunnsstråling, hvis spektrum tilsvarer spekteret til en helt svart kropp med en temperatur på omtrent 3 grader Kelvin. Denne strålingen observeres ved bølgelengder som varierer fra flere millimeter til titalls centimeter; den er praktisk talt isotropisk. Oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen var en avgjørende bekreftelse på teorien om det varme universet, ifølge hvilken universet tidligere hadde en mye høyere materietetthet og en veldig høy temperatur enn nå. Relikviestrålingen registrert i dag er informasjon om tidligere hendelser, da universets alder bare var 300–500 tusen år, og tettheten var omtrent 1000 atomer per kubikkcentimeter. Det var da temperaturen i det opprinnelige universet falt til rundt 3000 grader Kelvin, elementærpartikler dannet hydrogen- og heliumatomer, og den plutselige forsvinningen av frie elektroner førte til strålingen som vi i dag kaller kosmisk mikrobølgebakgrunn.

CMB-stråling-kosmisk elektromagnetisk stråling med høy grad av isotropi og med et spektrum som er karakteristisk for en absolutt svart kropp med en temperatur? 2.725 K. CMB ble spådd av G. Gamow, R. Alpher og R. Hermann i 1948 basert på den første Big Bang-teorien de skapte. Alpher og Herman var i stand til å fastslå at temperaturen på den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen skulle være 5 K, og Gamow kom med en spådom i 3 K. Selv om det fantes noen estimater av temperaturen i rommet før, hadde de flere mangler. For det første var dette målinger av kun den effektive temperaturen i rommet; det ble ikke antatt at strålingsspekteret overholder Plancks lov. For det andre var de avhengige av vår spesielle plassering ved kanten av galaksen og antok ikke at strålingen er isotrop. Dessuten ville de gitt helt andre resultater hvis jorden var lokalisert et annet sted i universet. Verken G. Gamow selv eller mange av hans tilhengere reiste spørsmålet om eksperimentell påvisning av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling. Tilsynelatende trodde de at denne strålingen ikke kunne oppdages, siden den "drukner" i strømmene av energi brakt til jorden av stråling fra stjerner og kosmiske stråler.

Muligheten for å oppdage kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling mot bakgrunnen av stråling fra galakser og stjerner i området av centimeter radiobølger ble underbygget av beregninger av A.G. Doroshkevich og I.D. Novikov, utført etter forslag fra Ya.B. Zeldovich i 1964, dvs. et år før oppdagelsen av A. Pepzias og R. Wilson.

I 1965 bygde Arno Penzias og Robert Woodrow Wilson et Dicke-radiometer, som de ikke hadde til hensikt å bruke for å søke etter kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling, men for eksperimenter innen radioastronomi og satellittkommunikasjon. Ved kalibrering av enheten viste det seg at antennen hadde en overtemperatur på 3,5 K som de ikke kunne forklare. Den svake støybakgrunnen endret seg verken fra retningen eller fra driftstiden. Først bestemte de seg for at det var støy iboende i utstyret. Radioteleskopet ble demontert og "stoppingen" ble testet igjen og igjen. Ingeniørenes stolthet ble såret, og derfor gikk sjekken til siste detalj, til siste lodding. Alt ble eliminert. De samlet det igjen - støyen gjenopptok. Etter mye overveielse kom teoretikere til den konklusjon at denne strålingen ikke kunne være noe mer enn en konstant bakgrunn av kosmisk radiostråling som fyller universet i en jevn strøm. Da han mottok en samtale fra Holdmdale, sa Dicke: «Vi fikk jackpotten, gutter.» Et møte mellom Princeton- og Holmdale-teamene slo fast at antennens temperatur var forårsaket av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Astrofysikere beregnet at støyen tilsvarer en temperatur på omtrent 3 grader Kelvin og er "hørbar ved en rekke frekvenser. I 1978 mottok Penzias og Wilson Nobelprisen for sin oppdagelse. Man kan forestille seg hvordan tilhengerne av den "hotte" modellen gledet seg da denne meldingen kom. Denne oppdagelsen styrket ikke bare posisjonen til den "varme" modellen. Reliktstråling gjorde det mulig å gå ned fra tidstrinnet for kvasarer (8-10 milliarder år) til et trinn tilsvarende 300 tusen år fra selve "begynnelsen". Samtidig ble ideen bekreftet om at universet en gang hadde en tetthet en milliard ganger høyere enn det er nå. Det er kjent at oppvarmet stoff alltid sender ut fotoner. I følge termodynamikkens generelle lover manifesterer dette et ønske om en likevektstilstand der metning oppnås: fødselen av nye fotoner kompenseres av den omvendte prosessen, absorpsjonen av fotoner av materie, slik at det totale antallet fotoner i medium endres ikke. Denne "fotongassen" fyller jevnt hele universet. Temperaturen til gassen til fotoner er nær absolutt null - omtrent 3 Kelvin, men energien i den er større enn lysenergien som sendes ut av alle stjerner i løpet av deres levetid. For hver kubikkcentimeter rom i universet er det omtrent fem hundre strålingskvanter, og det totale antallet fotoner i det synlige universet er flere milliarder ganger større enn det totale antallet materiepartikler, dvs. atomer, kjerner, elektroner som utgjør planeter, stjerner og galakser. Denne generelle bakgrunnsstrålingen av universet kalles med lett hånd av I.S. Shklovsky, relikt, dvs. residual, som er en rest, en relikvie fra den tette og varme begynnelsestilstanden til universet. Forutsatt at saken om det tidlige universet var hot, G. Gamow spådde at fotoner, som da var i termodynamisk likevekt med materie, skulle vedvare inn i moderne tid. Disse fotonene ble direkte oppdaget i 1965. Etter å ha opplevd generell ekspansjon og tilhørende avkjøling, danner gassen av fotoner nå universets bakgrunnsstråling, og kommer jevnt til oss fra alle retninger. Det kosmiske mikrobølgebakgrunnskvantet har ikke en hvilemasse, som et hvilket som helst kvantum av elektromagnetisk stråling, men har energi, og derfor ifølge Einsteins berømte formel E=Ms?, og massen som tilsvarer denne energien. For de fleste reliktkvanter er denne massen veldig liten: mye mindre enn massen til et hydrogenatom, det vanligste elementet i stjerner og galakser. Derfor, til tross for den betydelige overvekten i antall partikler, er kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling dårligere enn stjerner og galakser når det gjelder bidrag til universets totale masse. I moderne tid er strålingstettheten 3 * 10 -34 g/cm 3, som er omtrent tusen ganger mindre enn den gjennomsnittlige tettheten av materie i galakser. Men dette var ikke alltid tilfelle - i universets fjerne fortid ga fotoner hovedbidraget til tettheten. Faktum er at under kosmologisk ekspansjon avtar strålingstettheten raskere enn materietettheten. I denne prosessen reduseres ikke bare konsentrasjonen av fotoner (i samme hastighet som konsentrasjonen av partikler), men den gjennomsnittlige energien til ett foton reduseres også, siden temperaturen på fotongassen synker under ekspansjon. Under den påfølgende utvidelsen av universet falt temperaturen på plasmaet og strålingen. Samspillet mellom partikler og fotoner hadde ikke lenger tid til å påvirke emisjonsspekteret betydelig i løpet av den karakteristiske ekspansjonstiden. Men selv i det fullstendige fraværet av interaksjon mellom stråling og materie under universets ekspansjon, forblir strålingsspekteret med svart legeme, bare temperaturen på strålingen synker. Mens temperaturen oversteg 4000 K, var hovedstoffet fullstendig ionisert, rekkevidden av fotoner fra en spredningshendelse til en annen var mye mindre enn universets horisont. På T ? 4000K protoner og elektroner rekombinert, plasmaet ble til en blanding av nøytrale hydrogen- og heliumatomer, og universet ble fullstendig gjennomsiktig for stråling. Under dens videre ekspansjon fortsatte temperaturen på strålingen å falle, men strålingens svartkroppsnatur ble bevart som en relikvie, som et "minne" fra den tidlige perioden av verdens utvikling. Denne strålingen ble først oppdaget ved en bølge på 7,35 cm, og deretter ved andre bølger (fra 0,6 mm til 50 cm).

Verken stjerner og radiogalakser, eller varm intergalaktisk gass, eller re-utslipp av synlig lys fra interstellart støv kan produsere stråling som nærmer seg egenskapene til mikrobølgebakgrunnsstråling: den totale energien til denne strålingen er for høy, og dens spektrum er ikke likt enten spekteret til stjerner eller spekteret til radiokilder . Dette, så vel som det nesten fullstendige fraværet av intensitetssvingninger over himmelsfæren (småskala vinkelsvingninger), beviser den kosmologiske, relikte opprinnelsen til mikrobølgebakgrunnsstrålingen.

Bakgrunnsstråling er isotrop bare i koordinatsystemet assosiert med "spredning" galakser, i såkalte. medfølgende referansesystem (dette systemet utvides sammen med universet). I ethvert annet koordinatsystem avhenger intensiteten av strålingen av retningen. Dette faktum åpner for muligheten for å måle solens hastighet i forhold til koordinatsystemet knyttet til mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Faktisk, på grunn av Doppler-effekten, har fotoner som forplanter seg mot en bevegelig observatør en høyere energi enn de som innhenter ham, til tross for at i et system assosiert med m.f. dvs. energiene deres er like. Derfor viser strålingstemperaturen for en slik observatør seg å avhenge av retningen. Dipolanisotropien til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, assosiert med bevegelsen til solsystemet i forhold til feltet for denne strålingen, er nå fast etablert: i retning av stjernebildet Løven er temperaturen på reliktstrålingen 3,5 mK høyere enn gjennomsnittet, og i motsatt retning (stjernebildet Vannmannen) er det like mye under gjennomsnittet . Følgelig beveger solen seg (sammen med jorden) i forhold til m.f. Og. med en hastighet på rundt 400 km/s mot stjernebildet Løven. Nøyaktigheten av observasjonene er så høy at eksperimenter registrerer jordens hastighet rundt solen som 30 km/s. Ved å ta hensyn til solens hastighet rundt sentrum av galaksen, kan vi bestemme hastigheten til galaksen i forhold til bakgrunnsstrålingen. Den er omtrent 600 km/s. Far-Infrared Radiation Spectrophotometer (FIRAS) på NASAs Cosmic Background Explorer (COBE) satellitt har gjort nøyaktige målinger av spekteret til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Disse målingene var de mest nøyaktige målingene av det svarte kroppsspekteret til dags dato. Det mest detaljerte kartet over den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen ble bygget som et resultat av arbeidet til det amerikanske WMAP-romfartøyet.

Spekteret til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen som fyller universet tilsvarer spekteret av stråling fra en absolutt svart kropp med en temperatur på 2,725 K. Dens maksimum skjer ved en frekvens på 160,4 GHz, som tilsvarer en bølgelengde på 1,9 mm. Den er isotropisk til innenfor 0,001 % - standard temperaturavvik er omtrent 18 μK. Denne verdien tar ikke hensyn til dipolanisotropien (forskjellen mellom den kaldeste og den varmeste regionen er 6,706 mK) forårsaket av Doppler-frekvensforskyvningen av strålingen på grunn av vår egen hastighet i forhold til koordinatsystemet knyttet til CMB. Dipolanisotropi tilsvarer bevegelsen av solsystemet mot stjernebildet Jomfruen med en hastighet på? 370 km/s.

> Hva er kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling?

Åpning kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling: betydningen av konseptet, Big Bang-teori, utvidelse og kart over universet, bevegelse av lys i rommet, påvirkning av mørk materie.

CMB-stråling– etterglød av Big Bang. Dette er et av de mest overbevisende bevisene på at denne hendelsen fant sted i universet. Det er best forklart av Ned Wright fra University of California (Los Angeles).

Hvor nyttig er CMB-stråling?

«Vel, den mest nyttige informasjonen kommer på et lavt nivå. Da jeg først begynte å studere astronomi, var det ingen 100 % tillit til påliteligheten til Big Bang-teorien. Derfor fylte tilstedeværelsen av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling i denne teorien og dens fravær i den konkurrerende teorien et stort gap i kunnskap.

I tillegg ligner spekteret til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen sterkt svart. Siden dette er en mørk kropp, kan vi tro at universet jevnt gikk fra ugjennomsiktighet til gjennomsiktighet. Dipolanisotropien til mikrobølgebakgrunnen bidrar til nøyaktig å bestemme det faktum at vi beveger oss i rommet. Den ene siden av himmelen er mye varmere, og den andre er kaldere, noe som antyder temperaturen til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. Ved beregning viser det seg at vi beveger oss med en tidel av en prosent av lysets hastighet - 370 km/s. Så det er vår bevegelse og bevegelse gjennom universet.

Planck-satellitten gjorde det mulig å få mer informasjon om linjene til bakgrunnsstrålingen fra kosmisk mikrobølge. Vi har en forskjell på 3 millikelvin, så forskjellen i punkttemperatur er +/- 100 mikroquins. Derfor får du presentert en detaljert tegning av et område som måler 1,5 grader. Den er skapt av bølgeakustikk, som dannes på grunn av tetthetsforstyrrelser i de tidlige stadiene av universets utvikling. Du kan til og med spore hvor lang tid det tok før universet ble gjennomsiktig. Og dette er viktig informasjon hvis du bestemmer deg for å studere en slik global industri."

Hva forteller kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling og mørk materie oss?

"CMB har et mønster på en skala på 0,5 grader, noe som gir oss en effektiv posisjonslinje, som himmelnavigasjon. Du måler en stjerne med en sekstant og får en linje med plasseringen din. Men hvis du ser på samme modell (akustisk bølgeoppsett), ser du at alt er mer lokalt i utbredelsen av galakser. Selvfølgelig snakker vi om fjerne objekter, men i kosmologi er dette lokale territorier.

Disse galaksene viser det samme bølgelignende mønsteret, og du kan måle det, sammenligne det med det som er observert i fortiden, og få en posisjonsavskjæringslinje. Dette hjelper til med å bestemme vår plass i universet, finne og til og med telle mange objekter. Det blir også klart at det er en mørk energi som ingen kan forstå ennå, men vi vet hva den kan gjøre. Tross alt er det nettopp dette som akselererer ekspansjonen.» Du kan lære mye mer interessant om den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen til universet (deteksjon, utvidelse av universet, big bang, rødt skifte, anomalier) hvis du ser videoen.

CMB-polarisering

Fysiker Dmitry Gorbunov om BICEP2-eksperimentet, inflasjonsstadiet og utviklingen av gravitasjonsteorien:

CMB-avvik

Astrofysiker Oleg Verkhodanov om lave multipoler, påvirkningen av objekter i nærheten av rom på kosmologiske målinger og tar hensyn til uoppdagede kilder:

kosmisk elektromagnetisk stråling som kommer til jorden fra alle sider av himmelen med omtrent samme intensitet og har et spektrum som er karakteristisk for svart kroppsstråling ved en temperatur på omtrent 3 K (3 grader på den absolutte Kelvin-skalaen, som tilsvarer 270 ° C). Ved denne temperaturen kommer hovedandelen av strålingen fra radiobølger i centimeter- og millimeterområdet. Energitettheten til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen er 0,25 eV/cm 3 .

Eksperimentelle radioastronomer foretrekker å kalle denne strålingen "kosmisk mikrobølgebakgrunn" (CMB). Teoretiske astrofysikere kaller det ofte "reliktstråling" (begrepet ble foreslått av den russiske astrofysikeren I.S. Shklovsky), siden, innenfor rammen av den allment aksepterte teorien om det varme universet i dag, oppsto denne strålingen på det tidlige stadiet av utvidelsen av vår verden, da dens materie var nesten homogen og veldig varm. Noen ganger i vitenskapelig og populærlitteratur kan du også finne begrepet "tre-graders kosmisk stråling". Nedenfor vil vi kalle denne strålingen "reliktstråling".

Oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen i 1965 var av stor betydning for kosmologien; det ble en av de viktigste prestasjonene innen naturvitenskap på 1900-tallet. og selvfølgelig den viktigste for kosmologi etter oppdagelsen av rødforskyvningen i galaksespektrene. Svak reliktstråling gir oss informasjon om de første øyeblikkene av universets eksistens, om den fjerne epoken da hele universet var varmt og ingen planeter, ingen stjerner, ingen galakser eksisterte i det. Detaljerte målinger av denne strålingen utført de siste årene ved hjelp av bakkebaserte, stratosfæriske og romobservatorier løfter teppet for mysteriet om selve universets fødsel.

Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Universets struktur og utvikling. M., 1975
Kosmologi: teori og observasjoner. M., 1978
Weinberg S. De første tre minuttene. Moderne syn på universets opprinnelse. M., 1981
Silke J. Big bang. Fødsel og utvikling av universet. M., 1982
Sunyaev R.A. Mikrobølgebakgrunnsstråling. I boken: Physics of Space: A small encyclopedia. M., 1986
Dolgov A.D., Zeldovich Ya.B., Sazhin M.V. Kosmologi av det tidlige universet. M., 1988
Novikov I.D. Evolusjon av universet. M., 1990

Finn " CMB STRÅLING"på