РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Рели́ктовое излуче́ние (лат. relictum — остаток), косми́ческое сверхвысокочасто́тное фо́новое излуче́ние — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Обладает высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,73 К.
Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Георгием Гамовым в 1948 году в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.
Термин реликтовое излучение, который обычно используется в русскоязычной литературе, ввёл в употребление советский астрофизик И. С. Шкловский.
Первое случайное обнаружение
Интересно, что реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941 г. В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами CN в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил, что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения[9]. Ни сам Мак-Келлар, ни кто другой, конечно, не подумали тогда о возможности того, что возбуждение вращательных уровней молекул вызывается реликтовым излучением. Да и сама теория горячей Вселенной тогда еще не была создана.
Только после открытия реликтового излучения начиная с 1966 г. были опубликованы работы И. С. Шкловского, Дж. Филда, Дж. Хитчкока, П. Тадеуша и Дж. Вольфа, в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, наблюдавшееся в спектре ξ Змееносца и других звезд, вызвано реликтовым излучением. Таким образом, еще в 1941 г. было обнаружено, хоть и косвенное проявление реликтового излучения.
Предсказание
В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К и оказался прав.
Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.
Предыстория
В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 3,2 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента»
О существовании подобного процесса впервые заговорили в СССР. Известный ученый Георгий Гамов предсказал наличие реликтового излучения задолго до его официального открытия, а группа другого отечественного физика Якова Зельдевича впервые в мире зафиксировала невиданное ранее явление. На исследования советских ученых опирались ведущие астрофизики, в том числе нобелевские лауреаты Арно Пензиас и Роберт Вильсон, построившие прибор для обнаружения излучения. Помимо теоретических расчетов ученые продолжили исследовать его и практически. В 80-е годы советские специалисты продемонстрировали исключительный проект исследования явления с космического спутника.
Сегодня открытие реликтового излучения можно назвать по-настоящему великим, ведь оно прояснило ряд вопросов о формировании Вселенной, а ученые по всему миру получили новые способы изучения космического пространства.
Реликтовое излучение: открытие
Обнаружение реликтового излучения изменило мировую космическую науку и позволило ученым всего света сделать ряд фундаментальных выводов о возникновении Вселенной.
Первые изучения совершенно нового явления относятся к концу 1940-х годов. Они связаны с именем выдающегося советского ученого Георгия Гамова, который раньше всех в мире предсказал существование теплового излучения, равномерно заполняющего Вселенную.
Это открытие было сделано, как логичное продолжение теории горячей Вселенной, которую также предложил Гамов. Ее суть заключалась в том, что на начальном этапе Вселенная представляла собой скопление горячей плазмы, заполненной протонами, электронами и фотонами. Со временем энергия фотонов снижалась, что позволяло двум другим элементарным частицам соединяться друг с другом и образовывать атомы. В период, когда Вселенная расширилась за пределы своего видимого состояния, излучение фотонов отделилось от плазмы, став прозрачным. А те самые отделившиеся фотоны — это и есть реликтовое излучение, которое мы сегодня наблюдаем, «следы» плазмы, когда-то сформировавшей Вселенную.
ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
С развитием знаний о реликтовом излучении появилось две взаимодополняющие космологические модели, которые по сей день часто путают. Предложенную Гамовым теорию горячей Вселенной часто называют Большим взрывом, что не совсем корректно. Большой взрыв представляет собой идею расширения Вселенной из сингулярного состояния. На сегодня наиболее научно подтвержденной и совершенной считается теория горячей Вселенной.
Первые реальные подтверждения наличия реликтового излучения относятся к 1960-м годам. Другой советский ученый Яков Зельдович совместно с Робертом Дикке разработали теорию взаимодействия горячей плазмы расширяющейся Вселенной и излучения. Это было сенсационное событие в мировой науке, ведь о наличии такого явления никто ранее не утверждал с полной уверенностью. Открытие советского ученого произошло на несколько лет раньше его американских коллег, оно дало мощный толчок к дальнейшим исследованиям.
На основе работ отечественных специалистов были сделаны все последующие работы. Например, американские астрофизики и нобелевские лауреаты Роберт Вильсон и Арно Пензиас использовали наработки и идеи наших ученых, которые помогли им создать прибор для измерения явления.
ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Реликтовое излучение как термин в русскоязычное пространство впервые предложил Иосиф Шкловский. В зарубежной практике это понятие будет звучать, как космическое микроволновое фоновое излучение. Оба термина тождественны друг другу и используются в равной степени.
Реликтовое излучение стало новой точкой для изучения космического пространства. Во все времена сотни астрофизиков задавались одним из самых популярных вопросов — как появилась Вселенная? И вот представьте, что в середине 1960-х годов у них наконец появился ответ. Еще тогда, в XX столетии, реликтовое излучение имело грандиозное значение, о нем писали многие ученые, и каждый пытался опубликовать свою работу в престижном журнале.
С развитием космологических теорий и оборудования был придуман новый проект «Реликт-1», суть которого заключалась в изучении реликтового излучения с космического спутника. Приоритет был вновь у советских специалистов. Данный эксперимент предложил Николай Кардашев, который и стал руководить миссией. Проект был реализован на пять лет раньше зарубежных аналогов. При помощи отечественных спутников, которые запускали на орбиты, удалось зафиксировать ценные сведения о распространении излучения по небесной сфере. Результатом работы стало открытие анизотропии и создание специальной карты, своеобразного помощника для ученых, которые теперь могли не просто отслеживать расположение очагов излучения, но и рассчитывать скорость нашей Галактики относительно него.
Сегодня реликтовое излучение составляет важную область изучения в мировой космической науке. Открытие этого уникального явления в прошлом столетии ознаменовало новую эпоху в освоении космического пространства. А самое главное — ученые по всему свету получили фундаментальные ответы на многие вопросы. Работы по исследованию излучения продолжаются и по сей день. Астрофизики всего мира исследуют вопросы холодного пятна реликтового излучения, пытаются объяснить его природу, тем самым все более расширяя границы знаний. Это явление представляет из себя аномалию реликтового излучения: холодное пятно находится в созвездии Эридан, его температура гораздо ниже, чем все остальное излучение, а область распространения нетипично большая.
Благодаря советским специалистам в области космологии сегодня у современников есть возможность задаваться новыми вопросами относительно Вселенной и еще на шаг приближаться к разгадке очередной тайны.