Магистрант → Общая теория относительности и космология → Космология и Вселенная ↓
Космическое микроволновое фоновое излучение
Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) является одной из самых важных находок в космологии и сильным доказательством теории Большого Взрыва. Это послесвечение излучения из горячего, плотного состояния вселенной, теперь охлажденное расширением вселенной и растянутое до микроволновых длин волн. В этом уроке мы исследуем значимость, открытие, характеристики и значения КМФИ в контексте космологии и общей теории относительности.
1. Что такое космическое микроволновое фоновое излучение?
КМФИ - это вездесущее электромагнитное излучение, заполняющее вселенную. Оно является остатком ранней фазы вселенной, также известным как «послесвечение Большого Взрыва». Когда вселенной было около 380 000 лет, она была заполнена горячей, плотной плазмой фотонов, электронов и протонов. По мере расширения и охлаждения вселенной эти частицы объединились для формирования нейтрального водорода, позволив фотонам свободно путешествовать впервые в процессе, называемом «рекомбинацией».
Переход от непрозрачности к прозрачности
До рекомбинации вселенная была непрозрачной, потому что свободные электроны рассеивали фотоны так же, как туман рассеивает свет. Когда эти электроны соединились с протонами для образования нейтрального водорода, вселенная стала прозрачной, оставив фотоны свободными для путешествия по пространству, создавая то, что мы сейчас видим как КМФИ.
2. Открытие космического микроволнового фонового излучения
Существование КМФИ было случайно открыто в 1965 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Они экспериментировали с радиоприемником и обнаружили фоновой шум, который был изотропным и недвусмысленным. Это излучение совпадало с теоретическими предсказаниями Ральфа Альфера и Роберта Германа о тепле, оставшемся от ранней вселенной, которое совпадало с космологией Большого Взрыва.
Открытие Пензиаса и Уилсона принесло им Нобелевскую премию по физике в 1978 году. Это открытие стало поворотным моментом в космологии, предоставив эмпирические доказательства в пользу теории Большого Взрыва.
3. Характеристики космического микроволнового фонового излучения
3.1 Температура
Температура КМФИ удивительно равномерна, около 2.725 Кельвина, хотя она имеет небольшие колебания (температурные флуктуации) на уровне одной части на 100 000. Эти температурные вариации важны, потому что они отражаются в эволюции крупных структур вселенной, включая галактики и скопления галактик.
3.2 Спектр
Излучение КМФИ демонстрирует идеальный спектр черного тела, что означает, что оно точно подчиняется закону Планка излучения черного тела. Максимум спектра приходится на микроволновые длины волн, около 1 миллиметра, что соответствует температуре черного тела около 2.7 К.
[ E(nu, T) = frac{8pi hnu^3}{c^3} frac{1}{e^{(hnu/kT)} - 1} ]
Где:
E(ν, T) = плотность энергии
ν = частота
T = температура в Кельвинах
h = постоянная Планка
c = скорость света
k = постоянная Больцмана
4. Значимость космического микроволнового фонового излучения в космологии
4.1 Поддержка теории Большого Взрыва
Равномерность и спектр КМФИ сильно поддерживают теорию Большого Взрыва. Согласно этой модели, вселенная началась как невероятно горячая и плотная точка около 13.8 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется. Присутствие этого фонового излучения соответствует концепции горячего происхождения, которое продолжает охлаждаться и расширяться на протяжении веков.
Визуальный пример расширения вселенной со временем
4.2 Измерение возраста и структуры вселенной
Анализируя КМФИ, космологи могут получить важную информацию о возрасте, структуре и геометрии вселенной. Вариации в КМФИ предоставляют данные о плотности различных компонентов вселенной, таких как темная материя, обычная материя и темная энергия.
4.3 Строительство крупных структур
Маленькие флуктуации, наблюдаемые в КМФИ, являются семенами всех существующих структур. Они выявляют различия в плотности, которые со временем будут расти под воздействием гравитации для формирования галактик, скоплений и сетей вселенной.
5. Общая теория относительности и космическое микроволновое фоновое излучение
Теория общей относительности Эйнштейна играет ключевую роль в понимании КМФИ, так как она предоставляет основу для того, как гравитация влияет на крупномасштабную структуру вселенной. Уравнения общей относительности описывают, как расширение со временем влияет на фотоны КМФИ, путешествующие по пространству.
5.1 Уравнение Фридмана
Уравнения, управляющие космологией, вытекающие из общей относительности, называются уравнениями Фридмана. Они связывают скорость расширения вселенной с ее энергетическим содержимым.
[ left( frac{dot{a}}{a} right)^2 = frac{8pi G}{3} rho - frac{kc^2}{a^2} + frac{Lambda c^2}{3} ]
Где:
a = фактор масштаба
G = гравитационная постоянная
ρ = плотность энергии
k = пространственная кривизна
Λ = космологическая постоянная
5.2 Гравитационное красное смещение
Согласно общей относительности, свет, путешествующий в расширяющейся вселенной, испытывает красное смещение. КМФИ, которое первоначально было выпущено при красном смещении 1100, со временем растянулось до более длинных волн, что является примером гравитационного красного смещения.
6. Современные эксперименты и наблюдения КМФИ
Было запущено множество спутниковых миссий и экспериментов для детального изучения КМФИ. Возможно, самым известным является Зонд анизотропии микроволнового фона Вилкинсона (WMAP), который картировал температурные флуктуации с беспрецедентной детализацией, что привело к доработке космологических моделей.
Еще одна важная миссия — это спутник Планк, который дал самые точные измерения колебаний КМФИ, помогая лучше понять возраст вселенной, ее скорость расширения и общее содержание материи.
6.1 Космологические параметры
Наблюдения из экспериментов КМФИ помогают ученым вычислять основные космологические параметры, такие как постоянная Хаббла, плотность темной материи и барионной материи.
Заключение
Космическое микроволновое фоновое излучение является характерной чертой теории Большого Взрыва, предоставляя нам двери в ранние стадии вселенной. Оно стало краеугольным камнем космологических исследований, давая понимание структуры и эволюции вселенной. Через призму общей теории относительности КМФИ связывает микроскопический мир частиц с макроскопическим пространством вселенной, подчеркивая взаимосвязь универсальных законов, управляющих физикой и реальностью.
Комментарии