Ereklye sugárzás ( lat. relictum - maradék), kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás - egyenletesen kitölti az Univerzum hősugárzását , amely a hidrogén elsődleges rekombinációjának korszakában keletkezett . Magas fokú izotrópiával és 2,72548 ± 0,00057 K hőmérsékletű , abszolút fekete testre jellemző spektrummal rendelkezik [1] .
A CMB létezését Georgy Gamow elméletileg jósolta meg 1948 -ban az ősrobbanás elméletének részeként . Bár az eredeti ősrobbanás elmélet számos aspektusát felülvizsgálták, azok az alapok, amelyek lehetővé tették a CMB effektív hőmérsékletének előrejelzését, változatlanok maradnak. Létét 1965 -ben kísérletileg igazolták . A kozmológiai vöröseltolódás mellett a CMB-t az ősrobbanás elméletének egyik fő megerősítésének tekintik.
Az orosz nyelvű irodalomban általában használt ereklyesugárzás kifejezést I. S. Shklovsky szovjet asztrofizikus vezette be [ 2 ] .
Az ősrobbanás elmélete szerint a korai univerzum egy forró plazma volt, amely elektronokból , barionokból és folyamatosan kibocsátott, elnyelt és újrakibocsátott fotonokból állt . A fotonok folyamatosan kölcsönhatásba léptek a többi plazmarészecskével, ütköztek velük és energiát cseréltek – az ősrobbanást követő első néhány százezer évben Thomson (az elektron tömegénél jóval kisebb energiákkal) [3] és Compton - szórás (előre és visszafelé, γ + e − ↔ γ + e − ), valamint kettős Compton szórás ( γ + e − ↔ γ + γ + e − , 1 keV feletti hőmérsékleten hatásos) és termikus bremsstrahlung (elektronok szabad átmenetei a protonok és más atommagok mezeje, e − + p + ↔ e − + p + + γ 1 és 90 eV közötti hőmérsékleten dominál [4] . Így a sugárzás az anyaggal termikus egyensúlyi állapotban volt, és spektruma egy abszolút fekete test spektrumának felelt meg [5] .
Ahogy az Univerzum tágul, a kozmológiai vöröseltolódás hatására a plazma lehűlt, és egy bizonyos szakaszban a lelassult elektronok lehetőséget kaptak arra, hogy a lelassult protonokkal ( hidrogénatommagok ) és alfarészecskékkel ( héliummagok ) egyesüljenek, atomokat képezve (ez a folyamat rekombinációnak nevezik ). Ez körülbelül 3000 K plazmahőmérsékleten és az Univerzum hozzávetőleges kora 380 000 évnél történt [6] . Több a szabad tér a részecskék között, kevesebb a töltött részecske, a fotonok már nem szóródnak olyan gyakran, és már szabadon mozoghatnak a térben, gyakorlatilag anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének az anyaggal. Relikvia sugárzás és alkotják azokat a fotonokat, amelyeket akkoriban a plazma bocsátott ki a Föld jövőbeli helye irányába. Ezek a fotonok (a már folyamatban lévő rekombináció miatt) elkerülték a szóródást, és még mindig a táguló Univerzum terén keresztül jutnak el a Földre. Az adott pillanatnak megfelelő megfigyelt gömböt utolsó szórófelületnek nevezzük [3] . Ez a legtávolabbi objektum, amely az elektromágneses spektrumban megfigyelhető.
Az Univerzum további tágulása következtében ennek a sugárzásnak az effektív hőmérséklete majdnem az abszolút nullára csökkent, és már csak 2,725 K.
1941 - ben a ξ Ophiuchus csillag CN molekulák általi fényelnyelését tanulmányozva a csillagközi közegben , Andrew McKellar megjegyezte [7] [8] , hogy az abszorpciós vonalakat nemcsak ennek a molekulának az alapforgási állapotára figyelték meg. a gerjesztett, és a vonal intenzitásának aránya CN ~2,3 K hőmérsékletnek felel meg. Ekkor ezt a jelenséget nem magyarázták [9] .
1948- ban a CMB-t Georgy Gamow , Ralph Alpher és Robert Herman jósolta meg az általuk megalkotott első Hot Big Bang elmélet alapján. Sőt, Alfer és Herman meg tudta állapítani, hogy a CMB hőmérsékletének 5 K-nek kell lennie, Gamow pedig 3 K jóslatot adott [10] . Bár létezett néhány becslés a tér hőmérsékletére ezt megelőzően, ezeknek számos hátrányuk volt. Először is, ezek csak a tér effektív hőmérsékletének mérései voltak, nem feltételezték, hogy a sugárzási spektrum megfelel a Planck -törvénynek . Másodszor, a Tejútrendszer peremén lévő különleges elhelyezkedésünktől függtek, és nem feltételezték, hogy a sugárzás izotróp. Ráadásul egészen más eredményeket adnának, ha a Föld valahol máshol lenne az univerzumban.
1955 - ben egy posztgraduális rádiócsillagász, Tigran Aramovics Shmaonov a Pulkovo Obszervatóriumban , a jól ismert szovjet rádiócsillagászok , S. E. Khaikin és N. L. Kaidanovsky irányítása alatt 3,2 cm-es hullámhosszon mérte az űrből származó rádiósugárzást, és kísérletileg nem fedezett fel mikrohullám-sugárzást. [11] . A mérésekből a következő következtetést vonták le: "Kiderült, hogy a háttérrádió emisszió effektív hőmérsékletének abszolút értéke... 4 ± 3 K." Shmaonov megjegyezte a sugárzás intenzitásának függetlenségét az égbolt irányától és az időtől. Disszertációja megvédése után az Instruments and Experimental Techniques című nem csillagászati folyóiratban [12] közölt erről egy cikket .
Gamow eredményeit nem vitatták széles körben. Az 1960-as évek elején azonban ismét Robert Dicke és Yakov Zel'dovich szerezte meg őket.
1964 -ben ez arra késztette David Todd Wilkinsont és Peter Rollt, Dicke kollégáit a Princetoni Egyetemen , hogy kidolgozzák a Dicke radiométert CMB mérésekhez.
1965-ben Arno Penzias és Robert Woodrow Wilson , a holmdale i Bell Telephone Laboratories munkatársa ( New Jersey ) megépített egy, a Dicke sugármérőhöz hasonló műszert , amelyet nem CMB-keresésekhez, hanem rádiócsillagászati és műholdas kommunikációs kísérletekhez kívántak használni. . A beállítás kalibrálásakor kiderült, hogy az antenna zajhőmérséklete 3,5 K volt, amit nem tudtak megmagyarázni. Holmdale hívásakor Dicke humorosan megjegyezte: "Srácok, megugrottak minket!" ("Fiúk, kikaptak minket!"). Egy közös megbeszélés után a Princeton és a Holmdale csoport arra a következtetésre jutott, hogy az antenna ezen hőmérsékletét a CMB okozta. 1978-ban Penzias és Wilson Nobel-díjat kapott felfedezésükért .
1983 -ban végezték el az első kísérletet, a RELIKT-1 -et egy űrhajó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásának mérésére. 1992 januárjában a RELICT-1 kísérlet adatainak elemzése alapján orosz tudósok bejelentették a reliktum sugárzás anizotrópiájának felfedezését [13] . Kicsit később a fluktuációk felfedezését amerikai tudósok is bejelentették a COBE kísérlet adatai alapján [14] . 2006 - ban a fizikai Nobel-díjat a COBE csoport vezetői, George Smoot és John Mather kapták ezért a felfedezésért , bár orosz kutatók az amerikaiak előtt publikálták eredményeiket [15] [16] [17] [18] .
A NASA COBE műholdján található FIRAS távoli infravörös spektrofotométer az eddigi legpontosabb CMB-spektrum mérést végezte. Megerősítették, hogy megfelel egy teljesen fekete test sugárzási spektrumának, amelynek hőmérséklete 2,725 K.
A kozmikus mikrohullámú háttér legrészletesebb térképe a WMAP amerikai űrszonda munkája eredményeként készült el .
2009. május 14-én felbocsátották az Európai Űrügynökség [19] [20] Planck műholdját . Feltételeztük, hogy a megfigyelések 15 hónapig folytatódnak a repülés esetleges 1 évvel történő meghosszabbításával, és a kísérlet eredményeinek feldolgozása lehetővé teszi a WMAP által nyert adatok ellenőrzését és pontosítását.
Az Univerzumot betöltő relikvi sugárzás spektruma egy teljesen fekete test sugárzási spektrumának felel meg , melynek hőmérséklete 2,725 kelvin . A maximuma 160,4 GHz -es ( mikrohullámú sugárzás ) frekvencián következik be, ami 1,9 mm -es hullámhossznak felel meg (lásd az emissziós spektrumot a jobb oldali ábrán). 0,01%-os pontossággal izotróp – a hőmérsékleti szórás körülbelül 18 µK. Ez az érték nem veszi figyelembe a dipólus anizotrópiát (a leghidegebb és a legmelegebb régió közötti különbség 6,706 mK [21] ), amelyet a sugárzási frekvencia saját sebességünkből adódó Doppler-eltolódása okoz a CMB-hez kapcsolódó referenciakerethez képest . A kozmikus mikrohullámú háttér vöröseltolódása valamivel meghaladja az 1000-et [22] .
Az ereklyesugárzás energiasűrűsége 0,25 eV/cm 3 [23] (4⋅10 −14 J/m 3 ) vagy 400-500 foton/cm 3 [24] .
Még 1969-ben fedezték fel, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban észrevehetően megkülönböztethető egy dipólus komponens: az Oroszlán csillagkép irányában ennek a sugárzásnak a hőmérséklete 0,1%-kal magasabb az átlagosnál, ellenkező irányban pedig a ugyanennyivel alacsonyabb [25] . Ezt a tényt a Doppler-effektus következményeként értelmezik , amely akkor lép fel, amikor a Nap a háttérháttérhez képest körülbelül 370 km/s sebességgel mozog az Oroszlán csillagkép felé. Mivel a Nap a Galaxis közepe körül ~220-230 km/s sebességgel kering a Cygnus csillagkép felé, és a Helyi galaxiscsoport (a Tejútrendszert is magában foglaló galaxiscsoport ) középpontjához képest mozog. [26] , ez azt jelenti, hogy a Helyi Csoport egésze a CMB-hez képest megközelítőleg (modern adatok szerint) km/s sebességgel mozog a galaktikus koordinátákkal rendelkező pont irányába , [27] [28] ( ez a pont a Hidra csillagképben található [29] ).
Vannak alternatív elméletek, amelyek a CMB dipólus komponensének izolálását is megmagyarázhatják [30] .
Az ereklye sugárzás néhány μK szinten polarizálódik . Az E-módot ( gradiens komponens) és a B-módot ( forgó komponens) [31] az elektromágneses sugárzás polarizációjával analóg módon különböztetjük meg . Az E-mód akkor jelenhet meg, ha a sugárzás a Thompson-szórás miatt inhomogén plazmán halad át . A B-mód, amelynek maximális amplitúdója mindössze 0,1 μK , nem jöhet létre a plazmával való kölcsönhatás miatt.
A B-mód az univerzum felfúvódásának jellemzője, és az ősi gravitációs hullámok sűrűsége határozza meg . A B-mód megfigyelése kihívást jelent a CMB ezen alkatrészének ismeretlen zajszintje miatt, valamint amiatt, hogy a B-módot gyenge gravitációs lencsék keverik az erősebb E-móddal [32] .
2015-ig még nincs megfigyelési megerősítés a B-mód felfedezésére vonatkozóan. 2014. március 17-én a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics tudósai bejelentették egy B-mód felfedezését r = 0,2 [33] [34] [35] [36] [37] mellett . Egy későbbi (2014. szeptember 19-én publikált) elemzés azonban, amelyet kutatók egy másik csoportja végzett a Planck -obszervatórium adatainak felhasználásával , azt mutatta, hogy az eredmény teljes mértékben a galaktikus pornak tulajdonítható [38] .
A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás másodlagos anizotrópiája a fotonok terjedése során jön létre az utolsó szórás felületéről a megfigyelő felé, például forró gáz szórásával vagy gravitációs potenciálon áthaladva [39] .
Amikor a CMB fotonok akadálytalanul terjedni kezdtek, a közönséges anyag az univerzumban többnyire semleges hidrogén és hélium atomok formájában volt jelen. A galaxisok megfigyelései azonban ma már azt mutatják, hogy az intergalaktikus közeg térfogatának nagy részét ionizált anyag teszi ki (mivel a hidrogénatomokhoz több abszorpciós vonal is kapcsolódik). Ez azt jelenti, hogy volt egy reionizációs időszak , amely során az Univerzumban bizonyos mennyiségű anyag ismét ionokra és elektronokra bomlott [40] .
A mikrohullámú sugárzás fotonjai szabad töltéseken, például elektronokon szóródnak, amelyek nem kötődnek atomokhoz. Egy ionizált univerzumban az ilyen töltött részecskéket ionizáló ultraibolya sugárzás verte ki a semleges atomokból. Manapság ezeknek az ingyenes töltéseknek kellően alacsony a sűrűsége az univerzum térfogatának nagy részén, így nem befolyásolják jelentősen a CMB-t. Ha azonban az intergalaktikus közeget a tágulás nagyon korai szakaszában ionizálták, amikor az univerzum sokkal sűrűbb volt, mint most, akkor ennek két fő következménye van a CMB-re nézve:
Mindkét hatást megfigyelte a WMAP űrteleszkóp, ami azt jelzi, hogy az Univerzum nagyon korai szakaszában ionizálódott ( 17-nél nagyobb vöröseltolódásnál ). Ennek a korai ionizáló sugárzásnak az eredete még mindig tudományos vita tárgya. Ez a sugárzás valószínűleg magában foglalja a legelső csillagok fényét, a szupernóvákat , amelyek ezeknek a csillagoknak az evolúciójából származtak, valamint a hatalmas fekete lyukak akkréciós korongjaiból származó ionizáló sugárzást .
Két másik hatás, amely a reionizáció és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás megfigyeléseink között keletkezett, és amelyek ingadozások okozói: a Sunyaev-Zeldovich-effektus , amely abban áll, hogy a nagy energiájú elektronok felhője szétszórja a kozmikus mikrohullámú háttérfotonokat. és energiájának egy részét átadja nekik, illetve a Sachs-Wolff-effektus , amely a gravitációs tér változása miatt a fotonspektrum eltolódását okozza a kozmikus mikrohullámú háttérről a spektrum vörös vagy lila tartományába. Ez a két hatás a késői Univerzum struktúráinak hatásához kapcsolódik (a vöröseltolódás kisebb, mint 1-es nagyságrendű). Egyrészt a CMB spektrum elmosódásához vezetnek, mivel az elsődleges anizotrópiára helyezkednek el; másrészt lehetővé teszik a késői Univerzum szerkezeteinek elterjedtségéről való információszerzést, valamint fejlődésük nyomon követését [39] .
Rádióteleszkópok az Antarktiszon :
A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás elemzése annak térképeinek, szögteljesítmény-spektrumának, végső soron a kozmológiai paramétereknek a megszerzése érdekében összetett, számításilag nehéz feladat. Bár a teljesítményspektrum térképből történő kiszámítása alapvetően egy egyszerű Fourier-transzformáció , amely a háttér gömbharmonikusokká való bomlását reprezentálja , a gyakorlatban azonban nehéz a zajhatásokat figyelembe venni .
Az adatok elemzéséhez speciális csomagokat használnak:
Minden csomag a saját CMB térképtárolási formátumát és saját feldolgozási módszereit használja.
A kozmológiai infláció során az első másodpercben. az Ősrobbanást követően a kvantumfluktuációk inhomogenitást okoznak az Univerzumban lévő anyagsűrűségben, amelyek aztán álló (a tér gyors tágulása miatt) azonos kezdeti fázisú akusztikus hullámok formájában oszcillálni kezdenek. Az ereklyesugárzás emissziója során az anyag inhomogenitásai a hullám aktuális fázisától függően kiemelődnek és elnyomódnak. Az ábrán az ereklye sugárzás maximuma olyan akusztikus hullámok hatására alakult ki, amelyeknek a rekombináció idején fázisuk volt . A fennmaradó maximumok , , ... fázisú hullámok eredményeként keletkeztek [43]
A Csillagkapu: Universe befejezetlen sci-fi sorozatban a CMB-kutatás a Destiny, az Ancients faj pilóta nélküli hajójának fő küldetése . A sorozat mitológiája szerint az Ősök megállapították, hogy a kozmikus mikrohullámú háttér bonyolult szerkezetű jelet tartalmaz, és valószínűleg mesterséges. Azonban, miután több millió évvel ezelőtt elkezdték a kísérletet, az Ősök soha nem fejezték be a felemelkedésük miatt. Mire a sorozat elkezdődik, a Destiny folytatja automatikus utazását több millió fényévnyire a Földtől a jel feltételezett forrásáig, és várja alkotói visszatérését.
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|
rádiócsillagászat | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Alapfogalmak | |||||||||
rádióteleszkópok |
| ||||||||
Személyiségek | |||||||||
Kapcsolódó témák |
| ||||||||
Kategória:Rádiócsillagászat |
Az Univerzum idővonala | |
---|---|
Az első három perc az Ősrobbanás után | |
korai univerzum | |
Az Univerzum jövője |
Kozmológia | |
---|---|
Alapfogalmak és tárgyak | |
Az Univerzum története | |
Az Univerzum szerkezete | |
Elméleti fogalmak | |
Kísérletek | |
Portál: Csillagászat |