Портал | Содержание | О нас | Авторам | Новости | Первая десятка | Дискуссионный клуб | Чат Научный форум Первая десятка "Русского переплета" Темы дня:

Мир собирается объявить бесполётную зону в нашей Vselennoy! | Президенту Путину о создании Института Истории Русского Народа. |Нас посетило 40 млн. человек | Чем занимались русские 4000 лет назад? | Кому давать гранты или сколько в России молодых ученых?

[ ENGLISH ] [AUTO] [KOI-8R] [WINDOWS] [DOS] [ISO-8859]

Анизотропия реликтового излучения.

М.В.Сажин
Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга,
Москва.

Введение

В течение последних лет в космологии было сделано принципиально важное открытие. Это было наблюдение анизотропии реликтового излучения (РИ). Бесспорно, основной источник этого достижения - развитие современной наблюдательной техники, становление астрономического наземного и космического эксперимента. Астрофизики разных стран упорно работали над созданием сверхчувствительной аппаратуры, способной слышать "писк" новорожденной Вселенной. Другой важной причиной побудившей астрономов - наблюдателей активно заниматься поиском аниозотропии являетсяя развитие физической теории и теоретической космологии. Космология в целом использует практически все достижения современной физики, причем запросы космологии растут значительно быстрее, чем возможности современного физического эксперимента. Поэтому в космологии используются физические теории еще не проверенные в физическом эксперименте, которые проверяются на жизнеспособность сравнением с наблюдениями в космологии. Одной из лучших проверок такого рода является сравнение предсказаний отдельных теорий с результатами наблюдений анизотропии реликтового излучения. Изложению результатов исследований по анизотропии РИ за последние несколько лет и их следствий для физики и космологии будет посвящена эта статья.

Что такое реликтовое излучение

Открытие реликтового излучения по праву можно считать из основных открытий, лежащих в основании современной космологии. ¹

Гипотезу о существовании такого излучения высказал в 1946г. Г.А.Гамов. Интересна судьба этого человека, много замечательных научных результатов было получено им. История его жизни сравнительно недавно еще была под запретом, теперь читатель может ознакомиться со многими его популярными книгами, прочитать автобиографию, изданную в России [1].

Для нас сейчас важно лишь предсказанное им реликтовое излучение. Теорию, созданную Г.Гамовым часто называют теорией "Большого Взрыва". В 50$^x$ годах нашего века он предложил идею горячей Вселенной, применив в космологии идеи ядерной физики и термодинамики. В горячем и плотном веществе ранней Вселенной должны были происходить термоядерные реакции, которые приводят к наблюдаемому обилию химических элементов. Сейчас эта теории называется теорией нуклеосинтеза. Частицы, составляющие горячую первичную плазму находились в состоянии термодинамического равновесия. Одной из таких частиц был фотон. В ту эпоху у фотонного газа сформировался спектр абсолютно черного тела с температурой равной температуре окружающей плазмы. В ходе расширения температура фотонов постоянно понижалась. Поэтому одним их побочных результатов теории космологического нуклеосинтеза было предсказание реликтового излучения.

Сам Гамов вычислил его характеристики, в частности определив его температуру. Поскольку к моменту создания работы большинство сечений термоядерных реакций еще были секретными величинами, то Гамов получил результат примерно в два раза расходящийся с измеренным, температура в его вычислениях равнялась 7 K.

Открытие реликтового излучения было сделано Пензиасом и Вилсоном, которые были удостоены Нобелевской премии за это открытие. Наблюдения подтвердили планковскую форму спектра электромагнитного излучения и измерили его температуру (2.75 K).

Спектр реликтового излучения - это спектр абсолютно черного тела:

$$I_{\nu}={\displaystyle 2h\nu^3\over\displaystyle c^2}{\displ... ...\displaystyle e^{{\displaystyle h\nu\over\displaystyle kT}}-1}$$ (1)

с температурой $T=2.725$ K. Исследователи измеряли температуру реликтового излучения многократно и в широком диапазоне длин волн. Эти наблюдения проводились для того, чтобы подтвердить вид спектра и обнаружить отклонения от него если они существуют.

Отклонения могут образовываться, если во Вселенной происходили неравновесные процессы. Например, если в какой либо момент эволюции не слишком далеко отстоящий от стадии рекомбинации в плазме выделялась энергия. Скажем, в плазме быле нестабильные элементарные частицы, которые распались до рекомбинации. Тогда во Вселенной выделились фотоны, обладающие узким спектром. Они взаимодействуют с электронами, перизлучаются и меняют свою энергию. Процессы перерассеяния приводят к тому, что "впрыснутый" спектр фотонов расплывается и его форма стремиться к равновесному спектру черного тела. Но может оказаться, что времени для установления равновесия не хватит. Тогда в спектре реликтового излучения возникнет избыток, который укажет не только время выделения дополнительной энергии, но и его механизм.

Для идеального спектра черного тела температура, найденная по формуле (), как функция спектральной интенсивности, не зависит от частоты. Поэтому исследователи при спектральных измерениях выражают свои результаты в виде графиков температура - частота.

Анизотропия реликтового излучения

Анизотропия - это разница температуры реликтового излучения в различных направлениях на небе. Она возникает из - за нескольких причин. Прежде всего это эффект Сакса - Вольфа. Он возникает, когда фотон распространяется в неоднородном гравитационном поле. Если фотон движется по нарастающему гравитационному потенциалу он теряет свою энергию и испытывает красное смещение, если он движется по убывающему потенциалу он приобретает энергию и его частота смещается в голубую сторону. Для одного фотона этот эффект приводит к изменению частоты, для ансамбля фотонов - к изменению их температуры.

Второй эффект - эффект Силка. Он возникает для адиабатических флуктуаций плотности. Если энтропия плазмы (т.е. отношение числа барионов к числу фотонов) однородна по пространству, то флуктуации плотности материи приводят к флуктуациям числа фотонов. Другими словами, место, где больше плотность, будет горячей. После просветления такие неоднородности выглядят как муар или рябь на поверхности последнего рассеяния.

Наряду с изменениями плотности важную роль играет допплер - эффект пекулярного движения вещества, т.е. случайные движения, наложенные на общее хаббловское расширение. Из - за этого движения энергия излученных фотонов меняется в соответствии с эффектом Допплера и это есть третий физический механизм, вызывающий анизотропию реликтового излучения.

Для действия всех трех эффектов необходима еще одна причина - существование первичных возмущений гравитационного поля, или как говорят ученые, первичных флуктуаций плотности и космологических гравитационных волн.

Не связанным непосредственно с возмущениями метрики в эпоху рекомбинации, но важным при описании эволюции Вселенной при относительно низких значениях красного смещения $z \sim 5-10$, является эффект Сюняева - Зельдовича. Он возникает, когда реликтовые фотоны проходят через облако горячих электронов и в результате актов рассеяния электроны передают им часть своей энергии, изменяя их температуру.

Реликтовые фотоны идут к нам со всех направлений небесной сферы. Поэтому адекватный математический аппарат для анализа углового распределения реликтового излучения - разложение по сферическим функциям или по мультипольным гармоникам. Распределение амплитуда гармоники - ее номер образует спектр флуктуаций реликтового излучения. Он определяется спектром возмущений плотности и спектром гравитационных волн, а также перечисленными выше эффектами (Сакса - Вольфа, Силка и Допплера).

Каждый шаг в исследовании реликтового излучения требовал больших усилий экспериментаторов. Однако каждый шаг приводил к важным физическим открытиям. Открытие реликтового излучения подтвердило теорию горячей Вселенной и является сейчас одним из наиболее важных фактов подтверждающих теорию Большого Взрыва. Следущим шагом было открытие дипольной анизотропии из-за движения нашей Галактики сквозь РИ. При этом передняя полусфера в направлении движения выглядит чуть горячее, а задняя полусфера чуть холоднее. Обнаружение этой разницы в температуре составляет всего 3$m$K и это потребовало увеличения чувствительности радиометров в 1000 раз! Открытие дипольной анизотропии позволило установить наиболее универсальную систему отчета, измерить случайные скорости галактик и т.п.

Измерение крупномасштабной анизотропии вновь потребовало увеличение чувствительности приборов в 100 раз. Сейчас построена карта распределения яркости реликтвого излучения вплоть до угловых масштабов 5$^{\circ}$, а в некоторых областях даже подробнее. Волнующая история "гонки с препятствиями" исследования флуктуаций реликтового излучения еще не получила своего завершения, многие вопросы еще являются открытыми. Но даже уже то, что известно, позволяет отнести открытие реликтового излучения и его анизотропии к одному из самых значительных открытий нашего века.

Анизотропия реликтового излучения была открыта в 1992 г. Автор книги сам принимал участие в обработке данных полученных в ходе эксперимента на борту космического аппарата серии "Прогноз". Эксперимент назывался "Реликт". Он был поставлен в Институте Космических Исследований (ИКИ АН СССР) под руководством И. А. Струкова. Большой вклад в создание аппаратуры без которой невозможно было бы провести эксперимент был внесен сотрудником ИКИ АН СССР Д.П.Скулачевым.

На спутнике был установлен радиометр на длину волны 8 мм с рекордной по тому времени чувствительностью 35 милликельвин за секунду накопления. Радиометр на одну частоту являся самым уязвимым местом с точки зрения астрономии. Многочастотный эксперимент позволял сразу выяснить природу анизотропии. Эксперимент типа "Реликта" оставлял много места для спекуляций о природе анизотропии. Радиометр представлял из себя две рупорные антенны, угол между которыми составлял $90^{\circ}$, причем диаграмма направленности каждой антенны составляла $5^{\circ}$ и собственно радиометрический тракт. Спутник медленно вращался вокруг своей оси делая один оборот за две минуты. Один рупор был направлен вдоль оси вращения и все время принимал радиосигнал из одной небесной точки. Он назывался опорным рупором. Второй за две минуты полностью "просматривал" (в астрономии принят термин "сканировал") большой круг небесной сферы. В таком положении спутник находился примерно неделю, успевая просмотреть каждый элемент большого круга несколько тысяч раз. После этого спутник переориентировался и сканировал новый круг на небе. Таким образом была получена карта всего неба на длине волны 8 мм.

Для проведения эксперимента была выбрана высокоапогейная орбита с большой полуосью равной 400 000 км. При этом точка апогея, как легко видеть, находилась дальше орбиты Луны. Сам спутник существовал недолго. Аппаратура "Реликт" работала полгода, картографируя небесную сферу. За время работы было получено свыше 10 000 измерений. В 1984 г. аппарат прекратил свое существование. В 1985 г. по просьбе Я.Б.Зельдовича я подключился к работе по обработке этого эксперимента.

Процесс компьютерного моделирования тогда занимал много времени. На моделирование одной шумовой карты уходило несколько часов счета. Основная вычислительная техника доступная нам представляла из себя ЕС1045, один из последних монстров вычислительного мира 80$^x$ годов, а также простенькую машину класса IBM.

Первая обработка карт неба в микроволновых лучах показала отсутствие анизотропии. Наша группа нашла только верхний предел на анизотропию реликтового излучения. Неправильно был выбран алгоритм обработки и была выбрана черезчур упрощенная модель радиотракта приемной аппаратуры. Статья с этими результатами была опубликована в 1987 г.

Следущий этап работы над старыми данными связан с приходом в нашу группу выпускника Государственного астрономического института (ГАИШ) МГУ А.А.Брюханова. Его свежий взгляд на проблему позволил существенно улучшить модель тракта и обнаружить анизотропию, "сигнал" как мы тогда говорили. Вскоре после осознания правильной модели радиотракта Андрей Брюханов заявил, что на радиокартах обнаружена анизотропия. После первого сообщения еще целый год мы занимались моделированием, проверяя различные гипотезы о природе "сигнала". Что это? Случайный шум на карте или реальная анизотропия? Окончательно вопрос для нас был решен к концу 1991 г. Это был реальный сигнал. Правда из - за недостаточной чувствительности надежность обнаружения анизотропии внушала еще некоторые опасения.

В январе 1992 г. на научном семинаре в ГАИШ А.А.Брюханов выступил от лица всей группы с сообщением об обнаружении анизотропии. Одновременно была послана статья в научный журнал на русском языке ("Письма в Астрономический журнал") и чуть позже в журнал Королевского Астрономического общества (Monthly Notices of Royal Astronomical Society).

К этому времени космический аппарат аналогичный аппарату "Реликт" сделанный в НАСА, который назывался "COBE" (аббревиатура английского термина COsmic Background Explorer) находился на околоземной орбите уже почти два года. Он тоже был предназначен для обнаружения анизотропии реликтового излучения.

В отличие от "Реликта" COBE был многочастотным и многоцелевым инструментом. На нем были установлены три основных комплекса аппаратуры. Один комплекс назывался DMR и состоял из нескольких радиометров на три частоты 30 ГГц, 53 ГГц, 90 ГГц. Эта аппаратура предназначалась для обнаружения анизотрпии реликтового излучения. Наличие трехчастотного эксперимента позволяло исследователям с уверенностью отождествить природу анизотропии. Антенны каждого из радиометров обладали полушириной $5^{\circ}$ и были раздвинуты на $60^{\circ}$. Это был основной научный комплекс, руководителем эксперимента был Дж. Смут. Это был известный радиоастроном, впервые правильно измеривший диполную компоненту анизотропии реликтового излучения.

Вторым по значению экспериментом на борту COBE был FIRAS (Far InfraRed Absolute Spectrophotometer). Основной задачей этого прибора было измерение спектра реликтового излучения с точность в сто раз превышающей все предыдущие измерения. Если бы Вселенная была заполнена черными дырами до критической плотности, которые излучают электромагнитные волны (т.н. механизм Хокинга), то FIRAS зарегистрировал соответствующие искажения спектра реликтового излучения.

Наконец последний научный комплекс назывался DIRBE (Diffuse InfraRed Background Experiment). DIRBE был предназначен для детектирования слабого свечения от первых звезд и галактик Вселенной. Они должны были родиться на свет давно, их расстояние до нас составляет 20 Гигапарсек. Естественно, свет их должен представляться в виде слабого фонового свечения, которое невозможно зарегистрировать с поверхности Земли из - за свечения атмосферы. Более того, приборы установленные на спутнике были такими чувствительными, что обнаружили бы первичное свечение даже в том случае, если бы оно составляло один процент от зодиакального света.

В конце апреля 1992 г. научный руководитель проекта DMR Дж. Смут на специально созванной пресс-конференции объявил об открытии анизотропии реликтового излучения. Сообщение было распространено по всему свету средствами массовой информации как научная новость номер один. Дж.Смут стал героем дня!

Репортеры посвящали этому событию статьи и с легкой руки одного из репортеров, который объявил, что теперь человечество увидело лик "господа бога", радиокарты COBE получили большую популярность, проникнув даже в издания далекие от науки. Хочется все таки заметить, что первым "лик господа бога" увидел выпускник ГАИШ МГУ, наш соотечественник, Андрей Брюханов.

Оба спутника могли обнаружить только крупномасштабную анизотропию. Характерные угловой масштаб переменности температуры реликтового излучения составлял десятки градусов.

В отличие от репортеров многие специалисты скептически встретили объявления об обнаружении анизотропии. Так продолжалось несколько месяцев пока другие группы не стали объявлять о том, что они тоже обнаружили анизотропию реликтового излучения в средних угловых масштабах.

Современное состояние исследований таково, что позволяет специалистам уверенно говорить об обнаружении анизотропии в крупных и средних угловых масштабах, а также о предварительном измерении амплитуды и положения допплеровского пика.

В изучении анизотропии реликтового излучения наступил "золотой век". Эксперименты готовят сразу в нескольких странах (которые, правда могут позволить себе расходы на изучение космологии), в основных научных центрах. Изучению анизотропии ежегодно посвящается несколько научных конференций. На этих конференциях ученые различных стран (в основном США, России, а также стран Европейского сообщества) обсуждают проблемы повышения чувствительности измерений, будущих экспериментов, их выводы для космологии, а также физики элементарных частиц.

Слово сказано. Здесь читатель может задать законный вопрос: причем тут физика элементарных частиц?

Для образования анизотропии, как было сказано выше необходимы первичные возмущения гравитационного поля. Другими словами, на фоне равномерного распределения вещества, на фоне равномерного гравитационного поля существуют небольшие возмущения этого поля. Так на фоне относительно гладкой поверхности земли существует ландшафт - возмущения земной поверхности над средней поверхностью Земли. Аналогичные возмущения существуют и в гравитационном поле. В космологии известны три типа возмущений. Это флуктуации плотности или скалярные флуктуации, вихревые возмущения и тензорные флуктуации или гравитационные волны. Скалярные флуктуации и гравитационные волны рождаются очень рано, когда размер Вселенной не превосходил 1 см, когда средняя плотность Вселенной составляла $10^{74}$ г/см$^3$. В истории Вселенной эта стадия развития носит название инфляционной стадии, в то время расширение во вселенной шло по закону экспоненты - все масштабы увеличивались со временем экспоненциально. В то время закладывались основные характеристики нашей Вселенной - она значительно увеличила свою массу, стала однородной, сформировался закон расширения Вселенной, который сейчас мы называем законом Хаббла. В то время рождались флуктуации гравитационного поля.

Они рождались из т.н. нулевых квантовых флуктуаций. Вакуумные квантовые флуктуации, которые обычно проявляются только в микроскопических масштабах, в экспоненциально расширяющейся Вселенной быстро увеличивают свою длину $\lambda \rightarrow \lambda \exp(Ht)$ и амплитуду и становятся космологически значимыми. Поэтому можно сказать, что скопления галактик и сами галактики (выросшие из зародышей флуктуаций плотности) являются макроскопическими проявлениями квантовых флуктуаций. Более подробно с историей Вселенной читатель может ознакомиться в [2] или популярной книге, которая готовиться к печати автором этой статьи.

Рождение и рост этих флуктуаций определялись параметрами вещества в то время. Эти параметры сильно отличались от соответствующих параметров в наше время.

Так, скажем, связь плотности и давления в обычных земных условиях определяется простым соотношением $p\sim \rho^{\gamma}$. Этот закон связи плотности и давления определяется взаимодействием между молекулами газа. Это взаимодействие - электромагнитные силы. Для описания такого же соотношения в случае плазмы, например, в недрах звезд уже необходимо учитывать ядерные силы взаимодействия и т.п. Чем больше энергия на одну частицу, тем более слождными становятся взаимодействия. Современная экспериментальная физика, которая изучает взаимодействия между элементарными и фундаментальными частицами, располагает сейчас информацией о взаимодействии частиц, когда их энергия не превышает 1 ТэВ. Основные экспериментальные данные получены при изучении взаимодействий частиц на ускорителях - чудо машинах современной физики. ².

Энергия, которая приходилась на одну частицу, когда плотность вещества составляла $10^{74}$ г/см$^3$ были порядка $10^{16}$ ГэВ. Это на 16 порядков больше чем масса покоя протона. Именно при таких чудовищных энергиях на одну частицу закладывались основные характеристики нашей Вселенной. В частности, формировались возмущения гравитационного поля, которые сегодня можно изучать по анизотропии реликтового излучения.

Итак из данных по анизотропии можно сделать некоторые выводы о физических взаимодействиях в энергетическом диапазоне $10^{16}$ ГэВ. Можно сказать, что теория инфляционной Вселенной получила экспериментальное подтверждение. Это первые экспериментальные данные, относящиеся к поведению взаимодействий в области энергий $10^{16}$ ГэВ.

Читатель, ощути пафос этих сухих цифр! Первые физические опытные данные человечества относились к масштабу энергий $\sim 1$ эВ на молекулу, т.е. к горению веток, дров и каменного угля. Овладение огнем позволило нашим предкам стать "homo sapiens". Вначале экспериментально - физическое, а затем и технологическое овладение масштабом энергий $\sim 100$ КэВ - $\sim 1$ МэВ возвестило начало ядерного и термоядерного века. Это перемещение "всего" только в миллион раз по шкале энергий! Что же тогда сулит человечеству экспериментальные знания при перемещении в десятки миллиардов миллиардов раз, от 1 МэВ до $10^{16}$ ГэВ?

Заключение

Можно много обсуждать какие сюрпризы готовит нам будущее изучение физики и космологии методом исследования анизотропии реликтового излучения. В заключении рассмотрим только один вопрос для решения которого необходимо детально знать физику ранней Вселенной, физику в области энергий $\sim 10^{16}$ ГэВ.

Сравнительно недавно Алан Гус и Андрей Линде заинтересовались вопросом создания вселенной в "пробирке". Они выяснили физические условия при которых ученый может быть создателем новой вселенной. Естеcтвенно, часть своих усилий они потратили на вопрос какую именно вселенную можно создать, какая в ней будет физика. Выяснилось, что возможность создать вселенную с наперед заданными характеристиками невелика. Единственное, что можно сделать - определить количество фундаментальных взаимодействий, которые будут в созданной вселенной и константы их взаимодействий. Напомним, что в нашей Вселенной существует всего четыре вида взаимодействий, или как говорят еще физики четыре силы: гравитационная и электромагнитная силы, слабое взаимодействие и ядерные силы. Их константы в нашей Вселенной, если выразить эти константы в единых единицах, есть: электромагнитная константа связи $\alpha_e \approx {\displaystyle 1\over\displaystyle 137}$, слабая константа связи $\alpha_w \approx {\displaystyle 1\over\displaystyle 42}$, ядерная константа связи $\alpha_n \approx 15$ и, наконец, гравитационная постоянная $\alpha_g \approx 10^{-40}$.

Если вселенная создается случайным образом, то следует ожидать, что все константы будут примерно одинаковы. Но нет. В нашей Вселенной константы различаются на много порядков. Возникает вопрос, образовался ли такой набор чисел случайно или кто -то создал нашу Вселенную и в этом случае какое послание содержит этот несомненно не случайный набор констант?

Copyright (c) "Русский переплет"