Реликтовое излучение — это слабый микроволновой фон, который приходит к нам со всех направлений неба. Он не исходит от отдельной галактики или туманности. Это остаточное излучение ранней Вселенной, сохранившееся с эпохи, когда космос был заполнен горячей плотной плазмой и еще не был прозрачным для света.
Температура реликтового излучения — около 2,725 K, то есть примерно −270,4 °C.
Оно почти одинаково во всех направлениях, но в нем есть крошечные температурные различия.
Именно по этим различиям ученые восстанавливают, какой была Вселенная задолго до появления звезд, галактик и планет.
Реликтовое излучение открыли в 1965 году.
Что такое реликтовое излучение и как оно связано с теорией Большого взрыва
Реликтовое излучение — это слабое электромагнитное излучение, равномерно заполняющее Вселенную. В научной литературе его также называют космическим микроволновым фоновым излучением, или CMB от английского Cosmic Microwave Background. В русскоязычной научной традиции закрепилось название «реликтовое излучение»: слово «реликтовое» означает остаточное, сохранившееся от более ранней эпохи. Термин ввел советский астрофизик Иосиф Шкловский.
На ранних этапах эволюции Вселенная была заполнена горячей плотной плазмой. В ней находились электроны, протоны, ядра гелия и фотоны. Свет тогда не мог свободно проходить через пространство: фотоны постоянно сталкивались с заряженными частицами, рассеивались, поглощались и снова излучались. Поэтому молодая Вселенная была непрозрачной.
По мере расширения пространство остывало. Примерно через 380 000 лет после начала расширения температура снизилась примерно до 3000 K. В этих условиях электроны начали соединяться с протонами и ядрами гелия, образуя нейтральные атомы. Этот этап называют рекомбинацией. Свободных заряженных частиц стало гораздо меньше, и фотоны смогли распространяться почти без новых столкновений.
Именно эти фотоны сегодня регистрируются как реликтовое излучение. Они идут через расширяющуюся Вселенную больше 13 миллиардов лет. За это время их длины волн увеличились, энергия уменьшилась, а исходное горячее излучение сместилось в микроволновой диапазон.
Если ранняя Вселенная, согласно модели Большого взрыва, была плотной и горячей, после ее расширения должен был остаться слабый тепловой фон. Реликтовое излучение как раз обладает такими свойствами: оно почти одинаково во всех направлениях, имеет температуру всего несколько кельвинов и соответствует спектру теплового излучения. Поэтому его считают одним из главных аргументов в пользу теории Большого взрыва.
Температура, спектр и другие свойства реликтового излучения
Собрали ключевые свойства реликтового излучения в таблице.
| Возраст Вселенной при испускании | Около 380 000 лет |
| Современная температура | Примерно 2,725 K |
| Температура в эпоху рекомбинации | Около 3000 K |
| Диапазон | Микроволновый |
| Максимум спектра | Около 160 ГГц, длина волны примерно 1,9 мм |
| Тип спектра | Почти идеальное излучение абсолютно черного тела |
| Основная причина охлаждения | Расширение Вселенной и растяжение длины волн |
На первый взгляд реликтовое излучение почти одинаково во всех направлениях. Это называют изотропностью. Но «почти» здесь принципиально. Когда измерения стали достаточно точными, ученые обнаружили маленькие отклонения температуры — анизотропии. Различия составляют доли тысячных процента, но именно они сделали реликтовое излучение главным источником данных о раннем космосе.
Эти слабые флуктуации показывают, где вещество в молодой Вселенной было немного плотнее или разреженнее. Позже гравитация усилила эти различия: более плотные области притягивали больше вещества, из них постепенно выросли галактики, скопления галактик и космическая сеть. Поэтому карту реликтового излучения можно воспринимать как раннюю разметку будущей структуры Вселенной.
Есть и более крупный эффект — дипольная анизотропия. В одном направлении реликтовое излучение немного теплее, в противоположном — немного холоднее. Это связано не с тем, что Вселенная устроена по-разному в этих направлениях, а с нашим движением относительно реликтового фона. Из-за эффекта Доплера фотоны спереди кажутся немного более энергичными, а сзади — менее.
Реликтовое излучение также поляризовано. Поляризация возникает из-за рассеяния света в ранней плазме и несет дополнительную информацию о плотности вещества, движении плазмы и процессах в молодой Вселенной. Особенно важны поиски так называемой B-моды поляризации: ее связывают с первичными гравитационными волнами и инфляцией, но надежное выделение такого сигнала остается сложной задачей из-за помех, в том числе от пыли Млечного Пути.
История открытия и изучения реликтового излучения
Идея реликтового излучения появилась раньше, чем его нашли. В 1948 году Георгий Гамов вместе с Ральфом Альфером и Робертом Германом работал над моделью горячей ранней Вселенной. Из нее следовало: если Вселенная в прошлом была плотной и раскаленной, сегодня должен существовать остывший тепловой фон с температурой всего несколько кельвинов.
Точные оценки тогда еще различались, но суть была верной. Альфер и Герман получили оценку около 5 K, Гамов называл значение около 3 K. Современная измеренная температура — 2,725 K, то есть общий порядок был предсказан правильно.
Есть и более ранний косвенный след. В 1941 году Эндрю Мак-Келлар изучал поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами CN в межзвездной среде и получил температуру около 2,3 K для возбуждения этих молекул. Тогда это не связали с реликтовым излучением: теоретическая рамка еще не была готова. Уже после открытия феномена стало ясно, что это было косвенное проявление все того же реликтового излучения.
В 1955 году советский радиоастроном Тигран Шмаонов проводил измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 3,2 см и обнаружил фоновый СВЧ-шум с эффективной температурой 4 ± 3 K. Он отметил, что интенсивность сигнала не зависит от направления и времени, но работа не получила широкой международной известности.
Официальное открытие произошло в 1965 году. Арно Пензиас и Роберт Вильсон работали в лаборатории Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси. Они использовали рупорно-параболическую антенну для радиоастрономических и коммуникационных задач и столкнулись с постоянным лишним шумом. Сигнал приходил со всех направлений, не исчезал после настройки оборудования. Его не получалось объяснить известными источниками.
Сначала исследователи проверяли технические причины: оборудование, калибровку, помехи, загрязнение антенны. Но шум оставался. В это же время группа Роберта Дикке в Принстоне готовила эксперимент по поиску реликтового излучения. После контакта двух групп стало понятно: Пензиас и Вильсон фактически уже обнаружили предсказанный микроволновой фон. В 1978 году они получили Нобелевскую премию по физике.
Следующий большой этап исследований — спутниковые наблюдения. Земная атмосфера мешает точным измерениям микроволнового фона, поэтому самые важные карты и спектры получили с космических аппаратов.
В 1989 году NASA запустило спутник COBE. Его прибор FIRAS измерил спектр реликтового излучения и показал, что он почти идеально соответствует спектру абсолютно черного тела с температурой около 2,725 K. Другой результат COBE — обнаружение малых температурных неоднородностей. За эти работы Джон Мазер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию по физике в 2006 году.
До COBE и параллельно с ним были и другие важные эксперименты. В 1983 году советский аппарат РЕЛИКТ-1 проводил измерения реликтового излучения с орбиты. В начале 1990-х российские исследователи сообщили об обнаружении анизотропии по данным этого эксперимента.
В 2001 году был запущен WMAP — аппарат NASA, который работал до 2009 года. Он построил более подробную карту температурных флуктуаций и уточнил параметры космологической модели: возраст Вселенной, долю обычной материи, темной материи и темной энергии.
В 2009 году Европейское космическое агентство запустило миссию «Планк». Она работала до 2013 года и дала еще более точные данные по температурным неоднородностям и поляризации. Карты Planck стали одним из главных наборов данных для современной космологии.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о реликтовом излучении.
Реликтовое излучение — это свет звезд?
Нет. Реликтовое излучение старше первых звезд и галактик. Оно возникло в эпоху, когда Вселенная уже остыла до образования нейтральных атомов, но звезд еще не было.
Когда появилось реликтовое излучение?
Оно отделилось от вещества примерно через 380 000 лет после начала расширения Вселенной. Этот этап называют эпохой рекомбинации.
Какая температура у реликтового излучения?
Современная температура составляет около 2,725 K, или примерно −270,4 °C.
Почему реликтовое излучение микроволновое?
Сначала это было более коротковолновое тепловое излучение. За миллиарды лет расширение Вселенной растянуло длины волн, поэтому сегодня сигнал находится в микроволновом диапазоне.
