Реликтовое излучение. Обзор. Часть 3.

6. Источники анизотропии.

Как видно из шкалы внизу рисунка, отклонения температуры различных направлений РИ измеряется в μК – в микрокельвинах.

Современные галактики и их скопления образовались из небольших неоднородностей вещества, существовавших на момент начала рекомбинационной эпохи. Эти неоднородности неустойчивы, при увеличении плотности вещества в каком-либо месте эта плотность будет нарастать из-за увеличения сил гравитации в этом месте. Если знать, каковы были амплитуды неоднородностей в какой-то момент времени, можно рассчитать, за какое время они могли вырасти. После этого области с плотностью, значительно превышающей среднюю, должны были выделиться из общего расширяющегося фона и дать начало галактикам и их скоплениям. Об этом и говорят цветные пикселы на карте анизотропии. Красные, с более высокой температурой, соответствуют большей плотности, поскольку в сгустках из-за более частых столкновений температура будет выше. Синие означают зародыши пустот. В момент рекомбинации, когда излучение отделилось от вещества, неоднородности в нем остались как фотография состояния материи, которая и дошла до наших дней в виде РИ.

Кроме того, «путешествуя» по Вселенной, некоторые фотоны реликтового излучения «нахватались» интересных свойств, связанных с веществом более поздней Вселенной. Но сначала нужно сопоставить РИ с другим фундаментальным явлением – космологическим красным смещением. Космологическое красное смещение (ККС) – сдвиг в сторону более низких частот в спектрах далеких космических объектов – галактик и квазаров. Сейчас мало у кого вызывает сомнение то, что ККС объясняется космологическим расширением пространства-времени, увеличением объема пространственно-временного континуума. Мерой ККС является z-параметр, вычисляемый как

z = Δλ/λ

где Δλ – изменение длины волны, λ – значение длины волны. Величина ККС складывается из доплеровского смещения, гравитационного смещения и смещения, вызванного расширением пространства. На больших расстояниях от объекта излучения и при отсутствии сверхмощных гравитационных полей преобладающим становится именно последний вид смещения. Именно поэтому применение известного закона Хаббла для z>0.5 приводит к большим ошибкам. 

Введем понятие горизонта видимости. Горизонт видимости во Вселенной - граница, отделяющая область пространства, которую в данный момент может видеть наблюдатель, от области, принципиально для него ненаблюдаемой. Согласно принятой космологической модели Вселенной, за время ее существования 13.8 млрд лет, самые далекие от нас источники света могут находиться на расстоянии не более 13.8 млрд световых лет. Свет от более далеких источников к нам еще не успел дойти, поэтому они для нас принципиально невидимы. Воображаемая сфера радиусом максимальной видимостью называется горизонтом видимости. Может возникнуть вопрос: если возраст равен 13.8 млрд лет, то значит дальше должны быть расположены источники, которых не может быть по возрасту? Нет, это не так. Дело в том, что Вселенная расширяется, и ее размеры за время жизни значительно увеличились, поэтому фотону, летящему к нам с другого края Вселенной, требуется пройти уже значительно большее расстояние. И, если оно меньше радиуса горизонта видимости, то мы его можем зарегистрировать. Поэтому в доступном для наблюдений объёме Вселенной находится, хотя и очень большое, но конечное число галактик и звёзд. При приближении к горизонту видимости z→∞, периоду рекомбинации соответствует z = z_r ≈ 1400-1500.

Однако продолжим о неоднородностях. Одной из важных областей современной космологии является изучение свойств и происхождения крупномасштабной структуры Вселенной. Выяснено, что такая структура есть следствие небольших неоднородностей, отображаемых картой анизотропии реликтового излучения на рис. 3. Согласно теории Я.Б. Зельдовича, крупнейшими элементами структуры Вселенной являются некие двумерные, дискообразные элементы, в которые могут входить галактики, скопления галактик (кластеры) и суперкластеры – скопления скоплений. Эти элементы называют «блинами». На самых последних стадиях сжатия вещества в "блин" в уже очень плотном веществе. возникают ударные волны, что вызывает разогрев газа, падающего в "блин". Внешние части "блина", нагретые ударной волной, не успевают остыть, остаются в форме газа. Этот газ входит в состав скоплений, он практически полностью ионизован, поэтому в него входит также газ из сильно разогретых, ультрарелятивистских электронов.

Оказалось, что измерить размер таких скоплений можно по свойствам РИ на основании эффекта Сюняева–Зельдовича. Этот очень интересный эффект основан в свою очередь на обратном эффекте Комптона. При столкновении фотона с ультрарелятивистским электроном, энергия которого больше энергии фотона, этот фотон может «отобрать» у электрона часть его энергии. Поскольку фотон не может при этом увеличить свою скорость, то увеличение его энергии выражается в увеличении частоты, в некотором его «посинении». Если реликтовое излучение на своем пути встречает так называемые «богатые» скопления, заполненные горячим электронным газом с очень быстрыми свободными электронами, то его чернотельный спектр искажается. Это искажение проявляется в ослаблении РИ в сантиметровой и миллиметровой области, а в субмиллиметровой — в его усилении. Все «участвующие» фотоны получают от электронов дополнительную энергию, в результате чего доля малоэнергичных фотонов становится меньше, энергичных – больше, и вся планковская кривая сдвигается в сторону больших частот. До максимума кривая понижается, а после максимума — повышается.

Этот эффект был предсказан советскими космологами Р.А. Сюняевым и Я.Б. Зельдовичем в 1969 году, а экспериментально обнаружен в 1978 году. На его тему написано и все еще пишется большое количество теоретических работ. На основании исследований, выполненных при помощи спутника «Планк», составлен каталог из 1600 скоплений, в которых отмечается этот эффект. Точность определения координат источников на различных наблюдательных частотах варьируется от 50” до 40”. Используя этот каталог, можно определить диаметры скоплений, благодаря чему скопления галактик могут быть использованы в качестве стандартной линейки при построении шкалы расстояний во Вселенной.

Третьим важнейшим источником анизотропии РИ является эффект Сакса–Вольфа, названного в честь его открывателей Курта Сакса и Райнера Вольфа. Этот эффект так же вызывает отклонение от планковской формы спектра РИ на микронеоднородностях, и так же на небольшие значения. Однако, не забываем, что речь идет об анизотропии в миллионные доли.

Если шарик запустить с некоторой скоростью v по гладкой поверхности без трения, а на его пути устроить ямку с гладкими краями, то как будет изменяться его скорость? Очевидно, что при спуске до дна ямки он приобретет дополнительную энергию, которая сообщит ему дополнительную скорость Δv. Однако последующий подъем из ямки потребует затраты точно такой же энергии, и, значит, скорость уменьшится на такую же величину Δv. В итоге скорость шарика, а значит и его кинетическая энергия не изменятся.

Теперь представим себе, что фотон реликтового излучения на своем пути встречает гравитационное поле скопления галактик. Может показаться, что аналогия с шариком будет полной: проходя путь до дна потенциальной ямы, то есть, до места с максимальной силой тяготения, фотон будет увеличивать энергию, что выразится увеличением его частоты. Затем выбираясь оттуда, он преодолеет точно такую же разность гравитационного потенциала, потеряет точно такую же энергию, как приобрел, и вернет свою первоначальную частоту. Подчеркнем, что речь идет о скоплении галактик, а не об отдельной звезде, поскольку время прохождения до дна потенциальной ямы и выхода из нее в описываемом эффекте должно быть достаточно большим.

Если Вселенная расширяется, то время пролета до дна ямы будет меньше, чем время из нее, поскольку пространство за это время расширилось. Но это означает только то, что на выход из поля фотону потребуется просто больше времени, но та же затрата энергии. То есть, разница в энергии будет той же, только потребуется больше времени на выход из поля. В результате энергия фотона все равно не изменится.

Но если Вселенная расширяется ускоренно (а мы знаем, что дело в нашем мире обстоит именно так), то окажется, что за то время, которое потребовалось фотону, чтобы вылететь из гравитационногпролететь мимо скопления, пространство на его пути увеличивалось быстрее, чем за то время, пока он к скоплению подлетал; притяжение ослабло, и на улетающий фотон в результате действовала меньшая гравитационная сила, чем на прилетающий. То есть, масса, мимо которой фотон пролетел, немного поделилась с ним энергией. Дала фотону пинка. Эффект Сакса–Вольфа был открыт в 2003 году и считается прямым доказательством существования темной энергии.

Крупномасштабная структура Вселенной включает не только большие суперкластеры галактик, но и так называемые войды – обширные области между галактическими нитями, в которых отсутствуют или почти отсутствуют галактики и скопления. Войды обычно имеют размеры порядка 10-100 Мпк. Наиболее крупные космические пустоты именуются супервойдами. Средняя плотность материи в них менее десятой доли от типичной для наблюдаемой Вселенной. Если скопления представляют из себя потенциальные ямы для фотонов, то войды – потенциальные холмы. При движении через супервойд, при выходе из него фотоны не восполняют свою энергию, потерянную при входе, и, пройдя супервойд, ансамбль фотонов становится холоднее, чем был до входа в супервойд, что отображается синим пятном на карте.

Идентификация «пятен» анизотропии РИ со скоплениями и войдами вызывает значительные трудности. Если посмотреть на карту анизотропии РИ на рис.4, то там в правой нижней части выделено «холодное» синее пятно, местоположение которого соответствует созвездию Эридан. 

Рис. 4. Холодное пятно реликтового излучения.

Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 мкК ниже, чем в среднем (при том, что среднее отклонение по всему небу составляет только 18 мкК). Исследование природы этого пятна отняло у астрономов большое количество времени и усилий. Однако, в конце концов оказалось, что это действительно гигантский супервойд, расположенный на расстоянии около 3 млрд световых лет и имеющий поперечный размер около 1.8 млрд световых лет. А его пониженная температура как раз и объясняется эффектом Сакса-Вольфа.

Тот факт, что по определению эффект Сакса-Вольфа является доказательством ускоряющегося расширения Вселенной, побудил группу ученых (Benjamin R. Granett, Mark C. Neyrinck, & István Szapudi) из Гавайского университета в Гонолулу получить доказательства существования «темной энергии», гипотетической субстанции, вызывающей такое расширение. Взяв данные о 50 суперкластерах и 50 супервойдах, собранные в рамках Слоановской программы цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), ученые высчитывали предполагаемое изменение в температуре реликтового излучения. Полученные результаты сравнивались с подробной температурной картой этого излучения, созданной в 2003 году. В результате фактические колебания показали хорошее согласование с предсказанными эффектом Сакса-Вольфа. Оригинальная статья опубликована и свободно доступна на английском языке в знаменитом arxiv.org: (https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0805/0805.2974.pdf)

26 ноября 2010 года, после 15 месяцев работы, замечательный спутник «Планк» успешно закончил основную часть миссии и перешёл к расширенной части, во время которой он продолжил обзор неба до полного исчерпания охлаждающего вещества. В январе 2012 года закончился охлаждающий приёмник жидкий гелий и работа высокочастотных приемников была завершена. И, наконец, 23 октября 2013 года из центра управления полетами ЕКА была отправлена последняя команда, на выключение телескопа. На компьютер «Планка» перед выключением была загружена программная «заплатка», которая навсегда блокировала систему управления, чтобы никакой сигнал не мог случайно включить спутник снова. Также это необходимо, чтобы телескоп своими сигналами не создавал помех, которые могут помешать будущим исследователям и ввести их в заблуждение. Спутник переведен на орбиту высотой 10 млн км от Земли.

7. Выводы. 

В выводах позволю себе перечислить не только рассмотренные здесь аспекты, но также и те, которые остались вне рамок этого рассмотрения, иначе потребовался бы очень большой объем материала. Итак:

1. Реликтовое излучение есть фотография Вселенной эпохи рекомбинации. Наличие неоднородностей подтверждает инфляционную модель.

2. Спектр реликтового излучения исключает любое другое его происхождение.

3. Свойства реликтового излучения надежно подтверждают стандартную ΛCDM модель Вселенной.

4. Свойства реликтового излучения подтверждают «блинную» структуру суперкластеров галактик.

5. Свойства реликтового излучения объясняют «холодные пятна» как войды и подтверждают гипотезу темной энергии.

6. Свойства реликтового излучения вынуждают космологов отказаться от моделей темной материи, которые подразумевают аннигиляцию частиц в ранней Вселенной.

7. Данные «Планка» исключили существование гипотетических нейтрино четвертого типа, так называемых “стерильных нейтрино”, в микроволновом фоновом излучении, поскольку он обнаружил несомненные следы нейтрино трех других типов -  электронного, мюонного и тау-нейтрино, сумма масс которых исключает четвертый тип. Масса каждого вида не может превышать 0,4 эВ/с².

8. В реликтовом излучении никакой поляризованной вихревой компоненты, называемой B-модой, об открытии которой недавно сообщили астрономы из коллаборации  BICEP2, не обнаружено, что означает, что обнаружить следы реликтовых гравитационных волн пока не удается.

9. По свойствам реликтового излучения уточнен состав материи Вселенной: это на 4,9 % – обычное (барионное) вещество, на 26,8 % – темная материя, и на 68,3 % – темная энергия.

10. Уточнено текущее (современное) значение постоянной Хаббла; новое значение H0 = 68 км/c/Мпк (то есть с момента Большого взрыва прошло 13.799 млрд лет; предыдущая оценка – 70 км/c/Мпк — соответствовала 13.75 миллиарда лет). Несоответствие с прежним значением нуждается в исследовании.

11. Используя только данные РИ, имеем оценку общей кривизны Вселенной Ω_K=0.0008±0.004. Малое значение Ω_K является признаком того, что наша Вселенная с высокой точностью плоская (псевдоэвклидова).

12. По-видимому не подтверждаются гипотезы изменяющейся тёмной энергии, Большого Разрыва и Большого сжатия.

13. Эпохе рекомбинации соответствует красное смещение zr ≈ 1400-1500. Эпохе вторичной ионизации соответствует красное смещение zre = 8.8 ±1.2.

14. Огромная роль в открытии и исследовании реликтового излучения принадлежит советским и российским физикам и астрономам.

Реликтовое излучение. Обзор. Часть 2.

4. Общие свойства реликтового излучения.

Параметры спектра в настоящее время измерены довольно точно. Кривая спектральной плотности почти точно описывается формулой Планка, имеет максимум на частоте 1.604∙10¹¹Гц, что соответствует длине волны 1.870мм. Температура излучения по данным спутника COBE составляет 2.72548±0.00057К. Концентрация реликтовых фотонов равна 411.7 в 1см³, плотность энергии 0.25эВ/см³, что соответствует плотности массы 4.659∙10^-34 г/см³.

О важности формы и параметров спектра РИ говорит тот факт, что в 2006 г. Джону Мазеру и Джорджу Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие ими чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения. Эти результаты были получены на основе измерений, выполненных с помощью спутника COBE, запущенного NASA в 1988 г. Результаты Дж. Мазера и Дж. Смута явились подтверждением происхождения Вселенной в результате Большого взрыва.

В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения. Для таких измерений были запущены даже спутники. В 1992 году спутник COBE выдал карту РИ для всего неба с угловым разрешением порядка 7 градусов в трех частотных диапазонах и с разрешением по температуре в 70 мкК. В 2003 спутник WMAP смог увеличить разрешение до 0.3 градуса. Спутник «Планк» работал в девяти частотных диапазонах с угловым разрешением до 0,07°, и с температурным – 5 мкК. Благодаря именно этому спутнику получены важнейшие астрофизические открытия, о которых – чуть позже.

Очень интересна орбита спутника. Если соединить осью Солнце и Землю, то существует точка Лагранжа L2, лежащая на этой оси за Землей на расстоянии около 1.5 млн км. На тело в этой точке действует суммарная сила притяжения Солнца и Земли, а расстояние выбрано так, что центробежная сила от вращения вокруг Солнца уравновешивает эту силу. Орбита спутника «Планк» – так называемая орбита Лиссажу, представляет собой сложную квазипериодическую траекторию, имеющую центром L2. В точке L2 находятся спутники WMAP, «Гершель», «Планк», «Gaia», «Спектр РГ». Планируется разместить там идущие на смену «Хабблу» телескопы «Джеймс Уэбб» и «PLATO».

5. Анизотропия реликтового излучения. Общие сведения.

В определенном смысле РИ можно считать неким «новым эфиром». Дело в том, что оно изотропно только в системе отсчета, связанной с разбегающимися галактиками, в так называемой сопутствующей системе отсчета, которая расширяется вместе с Вселенной. В любой другой системе оно неизотропно, что позволило вычислить скорость суточного вращения Земли, скорость вращения Земли вокруг Солнца и скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики. Так, например, в направлении на созвездие Льва температура РИ на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно РИ со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Вспомним о безуспешных попытках определить эти скорости относительно «светоносного эфира».

Вообще же под анизотропией РИ будем понимать зависимость температуры от направления –  места на карте РИ. Важнейшие явления, связанные с поляризацией РИ, рассматривать не будем ввиду сложности для понимания широким кругом читателей. Как уже было сказано, спектр РИ почти идеально соответствует планковской кривой. Температура излучения почти не зависит от направления на небосводе. Однако оказалось, что именно из этих незначительных отклонений от идеала можно получить интереснейшую информацию и о ранней, и о современной Вселенной, которая лежит в самой основе современной космологии.

О структуре материи в ранней Вселенной говорит знаменитая карта анизотропии РИ, полученная космической обсерваторией «Планк».

Рис. 3. Карта анизотропии реликтового излучения.

Чтобы понять остаточное свечение Большого взрыва, необходимо изучить не с меньшей точностью и те эффекты, которые могут загрязнить нужный сигнал. Этот шаг нужно было сделать перед тем, как извлекать любую космологическую информацию. Например, «Планком» была получена полная пылевая карта Млечного Пути, которая как раз и представляла собой «шум», и который необходимо вычесть, чтобы воссоздать наш фоновый доисторический космический сигнал.
Получив полный сигнал от ранней Вселенной, его можно проанализировать и извлечь всю возможную информацию. Это означает извлечение из температурных флуктуаций, происходящих на крупных, средних и мелких масштабах, важнейшей информации, например, сколько нормальной материи, тёмной материи и тёмной энергии есть во Вселенной, каково было первоначальное распределение и спектр флуктуаций плотности, какова форма и кривизна Вселенной, когда произошла реионизация Вселенной (и, соответственно, формирование звёзд достигло определённого порога), можем ли мы увидеть результат действия гравитационных волн, количество и температура нейтрино в то время, и многое другое.

По данным «Планка» оказалось, что во Вселенной – 31,5% материи (из них 4,9% нормальной, а остальное – тёмная), 68,5% тёмной энергии, а скорость расширения равна 67,4 км/с/Мпк. Причём у скорости настолько малая погрешность (~1%), что она вступает в противоречие с измерениями, сделанными на основе космической лестницы расстояний, из которой получается скорость в 73 км/с/Мпк. Это, пожалуй, наибольшее противоречие из всех, относящихся к современному представлению о Вселенной.

От «Планка» мы узнали, что нейтрино есть всего три типа, и что масса каждого вида не может превышать 0,4 эВ/с²: это в 10 млн раз меньше электрона. Мы знаем, что космическая температура этих нейтрино соответствует 72% температурной/кинетической энергии фотонов РИ; если бы у них не было массы, то сегодня их температура равнялась бы 2 К.

Определен период эпохи вторичной ионизации, когда нейтральный газ во Вселенной стал ионизованным за счет ультрафиолетового излучения первых звезд и активных ядер галактик. Эпохе вторичной ионизации соответствует красное смещение zre = 8.8 ±1.2.

Используя только данные РИ, из этой информации получена оценка кривизны Ω_K=0.0008±0.004 –  нулевое значение соответствует плоской, псевдоэвклидовой Вселенной. Полученное малое значение Ω_K является признаком того, что наша Вселенная с высокой точностью плоская (т.е. сумма углов любого треугольника, построенного на больших масштабах, равна 180^о), что, в свою очередь, говорит в пользу теории инфляционного расширения.

Нужно помнить, кроме того, что эта картинка – восстановленная карта флуктуаций реликтового излучения, еще и что эта карта – действительно лишь картинка, иллюстрация. Каждой пикселе этой картинки соответствует огромное количество числовой информации, которая, собственно, и является картой для пользования, предоставленной коллаборацией «Планк» мировому научному сообществу в открытом виде в 2013 году.

Реликтовое излучение. Обзор. Часть 1.

Содержание.

1. Что такое «реликтовое излучение» (РИ)?

2. Как было открыто реликтовое излучение.

3. Предыстория открытия.

4. Общие свойства реликтового излучения.

5. Анизотропия реликтового излучения. Общие сведения.

6. Источники анизотропии.

7. Выводы. 

В настоящее время в сети довольно много информации о реликтовом излучении. Однако она страдает рядом недостатков. Почти все популярные статьи на эту тему не содержат сути явления и не говорят о том, почему оно так важно для науки. Поэтому мне показалось полезным собрать эту информацию в одну статью, систематизировать свои знания и поделиться ими с другими.