29.4: Космічний мікрохвильовий фон

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78596

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Поясніть, чому ми можемо спостерігати післясвітіння гарячої, ранньої Всесвіту
Обговоріть властивості цього післясвітіння, як ми бачимо його сьогодні, включаючи його середню температуру та розмір коливань температури.
Опишіть відкриті, плоскі та вигнуті всесвіти та поясніть, який тип Всесвіту підтримується спостереженнями
Узагальнити наші сучасні знання про основні властивості Всесвіту, включаючи його вік і зміст

Опис перших кількох хвилин Всесвіту засноване на теоретичних розрахунках. Однак важливо, щоб наукова теорія була випробувана. Які прогнози вона робить? І чи показують спостереження ці прогнози точними? Одним з успіхів теорії перших хвилин Всесвіту є правильне передбачення кількості гелію у Всесвіті.

Інший прогноз полягає в тому, що значна віха в історії Всесвіту сталася приблизно через 380 000 років після Великого вибуху. Вчені безпосередньо спостерігали, яким був Всесвіт на цій ранній стадії, і ці спостереження пропонують найсильнішу підтримку теорії Великого вибуху. Щоб дізнатися, якою була ця віха, давайте розглянемо, яка теорія розповідає нам про те, що сталося протягом перших кількох сотень тисяч років після Великого вибуху.

Злиття гелію та літію було завершено, коли Всесвіту було близько 4 хвилин. Всесвіт тоді продовжував нагадувати інтер'єр зірки в деякому роді ще на кілька сотень тисяч років. Він залишався гарячим і непрозорим, при цьому випромінювання розсіювалося від однієї частинки до іншої. Це було ще занадто гаряче, щоб електрони «осіли» і стали асоціюватися з певним ядром; такі вільні електрони особливо ефективні при розсіюванні фотонів, тим самим гарантуючи, що жодне випромінювання ніколи не заходило дуже далеко в ранньому Всесвіті, не змінивши його шлях. Певним чином Всесвіт був схожий на величезну натовп відразу після популярного концерту; якщо ви розлучаєтеся з другом, навіть якщо він носить миготливу кнопку, неможливо побачити крізь щільну натовп, щоб помітити його. Тільки після того, як натовп очиститься, є шлях для світла від його кнопки, щоб дістатися до вас.

Всесвіт стає прозорим

Лише через кілька сотень тисяч років після Великого вибуху, коли температура знизилася приблизно до 3000 К, а щільність атомних ядер приблизно до 1000 на кубічний сантиметр, електрони і ядра встигли об'єднатися, утворюючи стабільні атоми водню і гелію (рис\(29.3.4\). Не маючи вільних електронів для розсіювання фотонів, Всесвіт вперше в космічній історії став прозорим. З цього моменту матерія та випромінювання взаємодіяли набагато рідше; ми говоримо, що вони відокремлювалися один від одного і еволюціонували окремо. Раптом електромагнітне випромінювання дійсно може подорожувати, і з тих пір воно подорожує по Всесвіту.

Відкриття космічного фонового випромінювання

Якщо модель Всесвіту, описана в попередньому розділі, є правильною, то - коли ми дивимося далеко назовні у Всесвіті і так далеко в часі - перше «післясвітіння» гарячого, раннього Всесвіту все ще повинно бути виявлено. Спостереження за цим були б дуже вагомим доказом того, що наші теоретичні розрахунки про те, як еволюціонував Всесвіт, є правильними. Як ми побачимо, ми дійсно виявили випромінювання, випромінюване в цей час розв'язки фотонів, коли випромінювання почало вільно текти через Всесвіт, не взаємодіючи з речовиною (рис.\(\PageIndex{1}\)).

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\) космічного мікрохвильового фону і хмари в порівнянні. (а) На початку Всесвіту фотони (електромагнітна енергія) розсіювали переповнені, гарячі, заряджені частинки і не могли потрапити дуже далеко, не зіткнувшись з іншою частинкою. Але після того, як електрони і фотони осіли в нейтральних атомах, розсіювання було набагато менше, і фотони могли подорожувати на величезні відстані. Всесвіт став прозорим. Коли ми дивимося в космосі і назад у часі, ми не можемо побачити назад за цей час. (б) Це схоже на те, що відбувається, коли ми бачимо хмари в атмосфері Землі. Краплі води в хмарі дуже ефективно розсіюють світло, але прозоре повітря дозволяє світлу подорожувати на великі відстані. Тож, коли ми дивимось у атмосферу, наше бачення блокується шарами хмар, і ми не можемо бачити за ними.

Виявлення цього післясвітіння спочатку було випадковістю. Наприкінці 1940-х Ральф Альфер і Роберт Герман, працюючи з Джорджем Гамоу, зрозуміли, що перед тим, як Всесвіт став прозорим, він, мабуть, випромінював як чорне тіло при температурі близько 3000 К - температурі, при якій атоми водню могли почати утворюватися. Якби ми могли бачити, що випромінювання відразу після утворення нейтральних атомів, воно нагадувало б випромінювання червонуватої зірки. Це було так, ніби гігантська вогненна куля заповнила весь всесвіт.

Але це було майже 14 мільярдів років тому, а тим часом масштаб Всесвіту збільшився в тисячу разів. Це розширення збільшило довжину хвилі випромінювання\(29.2.6\) в 1000 разів (див. Рис. Відповідно до закону Віена, який стосується довжини хвилі і температури, розширення відповідно знизило температуру в 1000 разів (див. Розділ про випромінювання і спектри).

Альфер і Герман передбачили, що світіння від вогненної кулі тепер має бути на радіо-довжині хвиль і повинно нагадувати випромінювання від чорного тіла при температурі всього на кілька градусів вище абсолютного нуля. Оскільки вогненна куля була всюди по всьому Всесвіту, випромінювання, що залишилося від нього, також повинно бути скрізь. Якби наші очі були чутливі до радіохвиль, все небо здавалося б світитися дуже слабко. Однак наші очі не можуть бачити на цих довжині хвиль, і в той час, коли Альфер і Герман зробили свій прогноз, не було інструментів, які могли б виявити світіння. З роками їх передбачення було забуто.

У середині 1960-х років у Холмделі, штат Нью-Джерсі, Арно Пензіас та Роберт Вілсон з лабораторій Bell AT & T побудували делікатну мікрохвильову антену (рис.\(\PageIndex{2}\)) для вимірювання астрономічних джерел, включаючи залишки наднових, як Кассіопея А (див. главу про смерть зірок). Їх мучив якийсь несподіваний фоновий шум, так само, як слабкий статичний на радіо, від якого вони не могли позбутися. Дивовижна річ у цьому випромінюванні полягала в тому, що воно, здавалося, йде з усіх боків відразу. Це дуже незвично в астрономії: адже більшість випромінювання має певний напрямок, де воно найсильніше - напрямок Сонця, або залишок наднової, або диск Чумацького Шляху, наприклад.

Пензіас і Вілсон спочатку думали, що будь-яке випромінювання, яке з'являється з усіх боків, повинно походити зсередини їх телескопа, тому вони розібрали все, щоб шукати джерело шуму. Вони навіть виявили, що деякі голуби в'їлися всередині великої рогоподібної антени і залишили (як делікатно висловився Пензіас) «шар білої, липкої, діелектричної речовини, що покриває внутрішню частину антени». Однак нічого, що зробили вчені, не могло звести фонове випромінювання до нуля, і вони неохоче прийшли до того, що воно повинно бути реальним, і воно повинно виходити з космосу.

Пензіас і Вілсон не були космологами, але коли вони почали обговорювати своє загадкове відкриття з іншими вченими, їх швидко зв'язали з групою астрономів і фізиків з Прінстонського університету (за декілька хвилин їзди). Ці астрономи - як це сталося - переробляли розрахунки Альфера та Германа з 1940-х років, а також зрозуміли, що випромінювання від часу розв'язки повинно бути виявлено як слабке післясвітіння радіохвиль. Різні розрахунки того, якою буде спостережувана температура для цього космічного мікрохвильового фону (CMB) ¹, були невизначеними, але всі прогнозували менше 40 К.

Пензіас і Вілсон виявили розподіл інтенсивності на різних довжині радіохвиль, щоб відповідати температурі 3,5 К. Це дуже холодно - ближче до абсолютного нуля, ніж більшість інших астрономічних вимірювань - і свідчення того, наскільки простір (і хвилі всередині нього) розтягнувся. Їх вимірювання повторювалися з кращими інструментами, які дають нам показання 2,73 К. Тож Пензіас та Вілсон підійшли дуже близько. Округляючи це значення, вчені часто посилаються на «3-х градусний мікрохвильовковий фон».

Багато інших експериментів на Землі і в космосі незабаром підтвердили відкриття Пензіасом і Вілсоном: випромінювання дійсно надходило з усіх боків (воно було ізотропним) і відповідало прогнозам теорії Великого вибуху з надзвичайною точністю. Пензіас і Вілсон ненавмисно спостерігали світіння від первісної вогненної кулі. Вони отримали Нобелівську премію за свою роботу в 1978 році. І безпосередньо перед смертю в 1966 році Леметр дізнався, що його «зниклий блиск» був виявлений і підтверджений.

Ви можете насолоджуватися переглядом «Три градуси», 26-хвилинне відео з Bell Labs про відкриття Пензіаса та Вільсона космічного фонового випромінювання (з цікавими історичними кадрами).

Властивості космічного мікрохвильового фону

Одне питання, яке хвилювало астрономів, полягає в тому, що Пензіас і Вілсон вимірювали фонове випромінювання, що заповнює простір через атмосферу Землі. Що робити, якщо ця атмосфера є джерелом радіохвиль або якимось чином вплинула на їх вимірювання? Краще було б виміряти щось таке важливе з космосу.

Перші точні вимірювання CMB були зроблені за допомогою супутника, що обертається навколо Землі. Названий космічним фоновим дослідником (COBE), він був запущений НАСА в листопаді 1989 року. Отримані ним дані швидко показали, що CMB тісно відповідає очікуваному від чорного тіла з температурою 2,73 К (рис.\(\PageIndex{3}\)). Це саме той результат, який очікується, якщо CMB дійсно був червонозміщене випромінювання, випромінюване гарячим газом, який заповнив весь простір незабаром після початку Всесвіту.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) космічного фону випромінювання. Суцільна лінія показує, як повинна змінюватися інтенсивність випромінювання з довжиною хвилі для чорного тіла з температурою 2,73 К. Коробки показують інтенсивність випромінювання космічного фону, виміряну на різних довжині хвиль приладами COBE. Посадка ідеальна. Коли цей графік вперше був показаний на зборах астрономів, вони влаштували йому стоячі овації.

Отже, перший важливий висновок із вимірювань CMB полягає в тому, що Всесвіт, який ми маємо сьогодні, дійсно еволюціонував з гарячого, єдиного стану. Це спостереження також забезпечує пряму підтримку загальної ідеї про те, що ми живемо у всесвіті, що розвивається, оскільки Всесвіт сьогодні прохолодніший, ніж це було на початку.

Невеликі відмінності в CMB

Ще до запуску COBE було відомо, що CMB надзвичайно ізотропний. Насправді його рівномірність у всіх напрямках є одним з найкращих підтверджень космологічного принципу - що Всесвіт є однорідним та ізотропним.

Згідно з нашими теоріями, однак, температура не могла бути абсолютно рівномірною при випромінюванні CMB. Адже CMB - це випромінювання, яке було розсіяне від частинок у Всесвіті в момент розв'язки. Якщо випромінювання було повністю гладким, то всі ці частинки повинні були розподілятися через простір абсолютно рівномірно. І все ж саме ті частинки, які стали всіма галактиками і зірками (і студентами астрономії), які зараз населяють космос. Якби частинки були повністю плавно розподілені, вони не могли б сформувати всі масштабні структури, які зараз присутні у Всесвіті - скупчення та суперкластери галактик, про які йшлося в останніх кількох розділах.

Ранній Всесвіт, мабуть, мав крихітні коливання щільності, від яких такі структури могли розвиватися. Області щільності вищої, ніж середня, залучили б додаткову речовину і врешті-решт виросли б у галактики та скупчення, які ми бачимо сьогодні. Виявляється, ці більш щільні регіони здавалися б нам більш холодними плямами, тобто вони мали б нижчі, ніж середні температури.

Причина того, що температура і щільність пов'язані, можна пояснити таким чином. У момент розв'язки фотони в трохи більш щільній частині простору повинні були витрачати частину своєї енергії, щоб уникнути гравітаційної сили, що чиниться навколишнім газом. При втраті енергії фотони стали трохи холодніше загальної середньої температури на момент розв'язки. Навпаки, фотони, які були розташовані в трохи менш щільній частині простору, втрачали менше енергії при виході з нього, ніж інші фотони, тим самим здаючись трохи гарячіше середнього. Тому, якщо насіння сучасних галактик існували в той час, коли було випущено CMB, ми повинні побачити деякі незначні зміни температури CMB, коли ми дивимося в різні боки на небі.

Вчені, що працюють з даними супутника COBE, дійсно виявили дуже тонкі перепади температур - близько 1 частини в 100 000 - в CMB. Регіони нижчої за середню температуру бувають різних розмірів, але навіть найменша з холодніших областей, виявлених COBE, занадто велика, щоб бути попередником окремої галактики або навіть суперскупчення галактик. Це пов'язано з тим, що інструмент COBE мав «розмитий зір» (погана роздільна здатність) і міг вимірювати лише великі ділянки неба. Потрібні були інструменти з «більш гострим зором».

Найбільш детальні вимірювання CMB були отримані двома супутниками, запущеними зовсім недавно, ніж COBE. Результати першого з цих супутників, космічного апарата Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), були опубліковані в 2003 році. У 2015 році вимірювання з супутника Планка розширили вимірювання WMAP до ще більшої просторової роздільної здатності та меншого шуму (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Теоретичні розрахунки показують, що розміри гарячих і холодних точок в КМБ залежать від геометрії Всесвіту і, отже, від її загальної щільності. (Зовсім не очевидно, що він повинен робити це, і потрібні деякі досить фантазії обчислень - далеко за рівнем нашого тексту - щоб зробити з'єднання, але наявність такої залежності дуже корисно.) Загальна щільність, про яку ми тут обговорюємо, включає як кількість маси у Всесвіті, так і масовий еквівалент темної енергії. Тобто ми повинні скласти разом масу і енергію: звичайну матерію, темну матерію і темну енергію, яка прискорює розширення.

Щоб зрозуміти, чому це працює, пам'ятайте (з глави про Чорні діри та вигнутий простір), що своєю теорією загальної відносності Ейнштейн показав, що матерія може кривити простір і що величина кривизни залежить від кількості присутньої речовини. Тому загальна кількість речовини у Всесвіті (включаючи темну матерію і еквівалентний внесок матерії темною енергією), визначає загальну геометрію простору. Так само, як геометрія простору навколо чорної діри має кривизну до неї, тому весь Всесвіт може мати кривизну. Давайте розберемося в можливостях (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Якщо щільність речовини вище критичної щільності, Всесвіт врешті-решт зруйнується. У такій замкнутій всесвіті в кінцевому підсумку зустрінуться два спочатку паралельних променя світла. Цей вид геометрії відносять до сферичної геометрії. Якщо щільність матерії менше критичної, Всесвіт розшириться назавжди. Два спочатку паралельних променя світла будуть розходитися, і це іменується гіперболічної геометрією. У всесвіті критичної щільності два паралельних світлових променя ніколи не зустрічаються, і розширення зупиняється лише в якийсь час нескінченно далеко в майбутньому. Ми називаємо це плоским всесвітом, і вид евклідової геометрії, яку ви вивчили в середній школі, застосовується в цьому типі всесвіту.

Якщо щільність Всесвіту дорівнює критичній щільності, то гарячі і холодні плями в КМБ зазвичай повинні бути близько градуса в розмірі. Якщо щільність більше критичної, то типові розміри будуть більше одного градуса. Якщо Всесвіт має щільність менше критичної, то структури будуть здаватися меншими. На\(\PageIndex{6}\) малюнку ви можете легко побачити відмінності. Спостереження WMAP та Планка CMB підтвердили попередні експерименти, що ми дійсно живемо у плоскому всесвіті критичної щільності.

Ключові цифри з аналізу даних Планка дають нам найкращі значення, доступні в даний час для деяких основних властивостей Всесвіту:

Вік Всесвіту: 13,799 ± 0,038 мільярдів років (Примітка: Це означає, що ми знаємо вік Всесвіту з точністю до 38 мільйонів років. Дивовижно!)
Константа Хаббла: 67,31 ± 0,96 кілометрів/секунда/мільйон парсеків
Частка вмісту Всесвіту, яка є «темною енергією»: 68,5% ± 1,3%
Частка вмісту Всесвіту, яка є речовиною: 31,5% ± 1,3%

Зверніть увагу, що це значення для константи Хаббла трохи менше, ніж значення 70 кілометрів/секунда/мільйон парсеків, які ми прийняли в цій книзі. Насправді значення, отримане від вимірювань червоних зрушень, становить 73 кілометри на секунду/мільйон парсеків. Настільки точна сучасна космологія в наші дні, що вчені наполегливо працюють над вирішенням цієї невідповідності. Той факт, що різниця між цими двома незалежними вимірами настільки мала, насправді є чудовим досягненням. Лише кілька десятиліть тому астрономи сперечалися про те, чи була константа Хаббла близько 50 кілометрів/секунда/мільйон парсеків або 100 кілометрів/секунда/мільйон парсеків.

Аналіз даних Планка також показує, що звичайна речовина (переважно протони та нейтрони) становить 4,9% від загальної щільності. Темна матерія плюс нормальна матерія складають до 31,5% від загальної щільності. Темна енергія вносить решту 68,5%. Вік Всесвіту при розв'язці - тобто, коли CMB був випромінюваний - становив 380 000 років.

Мабуть, найдивовижнішим результатом високоточних вимірювань WMAP та ще більш точних вимірювань від Планка є те, що сюрпризів не було. Модель космології зі звичайною речовиною близько 5%, темною речовиною приблизно на 25% і темною енергією близько 70% збереглася з кінця 1990-х років, коли космологи були змушені в цьому напрямку даними наднових. Іншими словами, дуже дивний Всесвіт, який ми описували, лише близько 5% його вмісту складається з видів матерії, з якими ми знайомі тут, на Землі, насправді здається Всесвітом, в якому ми живемо.

Після того, як CMB був випущений, Всесвіт продовжував розширюватися і охолоджуватися. До 400 - 500 мільйонів років після Великого вибуху вже утворилися найперші зірки і галактики. Глибоко в інтер'єрах зірок речовина розігрівалася, запалювалися ядерні реакції, і почався більш поступовий синтез більш важких елементів, про які ми говорили протягом всієї цієї книги.

Ми завершуємо цю швидку екскурсію по нашій моделі раннього Всесвіту з нагадуванням. Ви не повинні думати про Великий вибух як локалізований вибух в космосі, як вибухає суперзірка. Не було меж і не було жодної ділянки, де стався вибух. Це був вибух простору (і часу, і матерії і енергії), який стався всюди у Всесвіті. Вся матерія і енергія, які існують сьогодні, включаючи частинки, з яких ви створені, прийшли з Великого вибуху. Ми були і досі перебуваємо в розпал Великого вибуху; це все навколо нас.

Ключові поняття та резюме

Коли Всесвіт став досить прохолодним, щоб утворити нейтральні атоми водню, Всесвіт став прозорим для випромінювання. Вчені виявили випромінювання космічного мікрохвильового фону (CMB) з цього часу під час спекотного раннього Всесвіту. Вимірювання за допомогою супутника COBE показують, що CMB діє як чорне тіло з температурою 2,73 К. Крихітні коливання CMB показують нам насіння великомасштабних структур у Всесвіті. Детальні вимірювання цих коливань показують, що ми живемо у всесвіті критичної щільності і що критична щільність складається з 31% матерії, включаючи темну матерію, і 69% темної енергії. Звичайна матерія - види елементарних частинок, які ми знаходимо на Землі - складають лише близько 5% критичної щільності. Вимірювання CMB також вказують на те, що Всесвіту 13,8 мільярда років.

Виноски

¹ Нагадаємо, що мікрохвильові печі знаходяться в радіообласті електромагнітного спектра.

Глосарій

космічний мікрохвильовий фон (CMB): мікрохвильове випромінювання, що йде з усіх боків, тобто червоне зміщене післясвітіння Великого вибуху.

плоский всесвіт: модель Всесвіту, яка має критичну щільність і в якій геометрія Всесвіту плоска, як аркуш паперу

час розв'язки фотонів: коли випромінювання почало вільно текти через Всесвіт, не взаємодіючи з речовиною