Фоновое излучение вселенной

Вид материала

Документы

Содержание Немного экзотики!

Подобный материал:

• Жесткое рентгеновское излучение на больших угловых масштабах фоновое излучение Галактики, 494.19kb.
• Содержание Введение, 206.57kb.
• Обеспечение радиационной безопасности населения, 185.1kb.
• Лазеры и лазерное излучение, 656.84kb.
• В. М. Чаругин Одним из основных источников информации об окружающей нас Вселенной является, 164.84kb.
• «Рождение и эволюция вселенной (Теория Большого Взрыва)», 3066.43kb.
• Лекция. Рентгеновское излучение, 56.73kb.
• Тепловое излучение и люминесценция, 273.8kb.
• Тема обнаружение и измерение ионизирующих излучений ионизирующие излучения, 220.39kb.
• М. И. Панасюк, профессор,, 353.69kb.

ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.


Фоновое излучение (реликтовое излучение) - космическое излучение, имеющее спектр, характерный для абсолютно четного тела, при темп-ре около ЗК; определяет интенсивность фонового излучения Вселенной в коротковолновом радиодиапазоне (на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах). Характеризуется высочайшей степенью изотропии (интенсивность практически одинакова во всех направлениях). Существование теплового излучения с температурой в несколько кельвинов было предсказано в 1946 г. Геогием Гамовым при разработке модели горячей Вселенной, а открыли его в 1965 г. радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон (США). Открытие дало важнейшее экспериментальное свидетельство в пользу представлений об изотропии расширения Вселенной и её однородности в больших масштабах. (Термин "реликтовое излучение" ввел советский астрофизик И.С.Шкловский (1916-1985).)

Согласно модели горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность, чем сейчас, и чрезвычайно высокую темп-ру. При
Т > 10⁸ К первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамическом равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной темп-ра плазмы и излучения падала. Пока темп-ра превышала 4000 К, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта Вселенной. При T ≈ 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения темп-ра излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт, как "память" о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).

Темп-ра микроволнового фонового излучения (МФИ) с точностью до 10% оказалась равной 2,7 К. Средняя энергия фотонов этого излучения крайне мала - в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов МФИ очень велико. На каждый атом во Вселенной приходится ~ 10⁹ фотонов МФИ (в среднем 400-500 фотонов в 1 см³).

Наряду с прямым методом определения темп-ры МФИ - по кривой распределения энергии в спектре излучения (закон Планка), существует также косвенный метод - по населённости нижних уровней энергии молекул в межзвёздной среде. При поглощении фотона МФИ молекула переходит из основного состояния в возбуждённое. Чем выше темп-ра излучения, тем выше плотность фотонов с энергией, достаточной для возбуждения молекул, и тем большая их доля находится на возбуждённом уровне. По количеству возбуждённых молекул (населённости уровней) можно судить о темп-ре возбуждающего излучения. Так, наблюдения оптических линий поглощения межзвёздного циана (CN) показывают, что его нижние уровни энергии населены так, как будто молекулы CN находятся в поле трёхградусного чернотельного излучения. Этот факт был установлен (но не понят в полной мере) ещё в 1941 г., задолго до обнаружения МФИ прямыми наблюдениями.

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к МФИ: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звезд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также практически полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере доказывается реликтовое происхождение МФИ.


Флуктуации МФИ.

Обнаружение небольших различий в интенсивности МФИ, принимаемого от разных участков небесной сферы, позволило бы сделать ряд выводов о характере первичных возмущении в веществе, приведших в дальнейшем к образованию галактик и скоплений галактик. Современные галактики и их скопления образовались в результате роста незначительных по амплитуде неоднородностей плотности вещества, существовавших до рекомбинации водорода во Вселенной. Для любой космологической модели можно найти закон роста амплитуды неоднородностей в ходе расширения Вселенной. Если знать, каковы были амплитуды неоднородности вещества в момент рекомбинации, можно установить, за какое время они могли вырасти и стать порядка единицы. После этого области с плотностью, значительно превышающей среднюю, должны были выделиться из общего расширяющегося фона и дать начало галактикам и их скоплениям. "Рассказать" об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь реликтовое излучение. Поскольку до рекомбинации излучение было жёстко связано с веществом (электроны рассеивали фотоны), то неоднородности в пространственном распределении вещества приводили к неоднородностям плотности энергии излучения, т.е. к различию темп-ры излучения в разных по плотности областях Вселенной. Когда после рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, МФИ должно было сохранить всю информацию о неоднородпостях плотности во Вселенной в период рекомбинации. Если неоднородности существовали, то темп-ра МФИ должна флуктуировать, зависеть от направления наблюдения. Однако эксперименты по обнаружению ожидаемых флуктуаций пока не обладают достаточно высокой точностью. Они дают лишь верхние пределы значений флуктуации. В малых угловых масштабах (от одной угловой минуты до шести градусов дуги) флуктуации не превышают 10^-4 К. Поиски флуктуации МФИ осложняются также тем, что вклад во флуктуации фона дают дискретные космические радиоисточники, флуктуирует излучение атмосферы Земли и т. д. Эксперименты в больших угловых масштабах также показали, что темп-ра МФИ практически не зависит от направления наблюдения: отклонения не превышают 3∙10^-3 К. Полученные данные позволили снизить оценку степени анизотропии расширения Вселенной в 100 раз по сравнению с оценкой по данным прямых наблюдений "разбегающихся" галактик.

МФИ изотропно лишь в системе координат, связанной с "разбегающимися" галактиками, в т.н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе со Вселенной). В любой др. системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с МФИ Действительно, в силу Доплера эффекта, фотоны распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с МФИ, их энергии равны. Поэтому и темп-ра излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления: T=T₀(1+ ^v/_c cos θ), где T₀ – средняя по небу темп-ра излучения, v - скорость наблюдателя, θ – угол между вектором скорости и направлением наблюдения.

Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твердо установлена: в направлении на созвездие Льва темп-ра МФИ на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно МФИ со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно МФИ. Она составляет 600 км/с.

Спектр МФИ. На рис приведены существующие экспериментальные данные о МФИ и планковская кривая распределения энергии в спектре равновесного излучения абсолютно чёрного тела, имеющего темп-ру ≈ 2,7 К. Положения экспериментальных точек хорошо согласуются с теоретической кривой. Это служит веским подтверждением модели горячей Вселенной.


МФИ и космические лучи.

Космические лучи (протоны и ядра высоких энергий; ультрарелятивнстские электроны, определяющие радиоизлучение нашей и других галактик в метровом диапазоне) несут информацию о гигантских взрывных процессах в звездах и ядрах галактик, при к-рых они рождаются. Как оказалось, время жизни частиц высоких энергий во Вселенной во многом зависит от фотонов МФИ, обладающих малой энергией, но чрезвычайно многочисленных - их в миллиард раз больше, чем атомов во Вселенной (это соотношение сохраняется в процессе расширения Вселенной). При столкновении ультрарелятивистских электронов космических лучей с фотонами МФИ происходит перераспределение энергии и импульса. Энергия фотона возрастает во много раз, и радиофотон превращается в фотон рентг. излучения, энергия же электрона меняется незначительно. Поскольку этот процесс повторяется многократно, электрон постепенно теряет всю энергию. Наблюдаемое со спутников и ракет рентгеновское фоновое излучение, по-видимому, частично обязано своим происхождением этому процессу.

Протоны и ядра сверхвысоких энергий также подвержены воздействию фотонов МФИ: при столкновениях с ними ядра расщепляются, а соударения с протонами приводят к рождению новых частиц (электрон-позитронных пар, -мезонов и т.д.). В результате энергия протонов быстро уменьшается до пороговой, ниже к-рой рождение частиц становится невозможным по законам сохранения энергии и импульса. Именно с этими процессами связывают практич. отсутствие в космич. лучах частиц с энергией 10²⁰ эВ, а также малое количество тяжёлых ядер.

НЕМНОГО ЭКЗОТИКИ!

В квантовой механике каждая частица или система частиц описывается определенным математическим выражением, которое носит название волновой функции. Зеркальное отражение ведет к замене пространственных координат х, y, z на –х, –y, –z. Если при этом знак функции меняется на противоположный, то четность частицы или системы равна –1 (нечетная). Если же функции не меняются, то четность равна +1 (четная). Закон сохранения четности, впервые сформулированный в 1925 г., утверждал, что общая четность (произведение четностей всех участвующих частиц) одинакова как до, так и после взаимодействия. Закон получил всеобщее признание благодаря тому, что он приводил к полезным теоретическим и экспериментальным результатам, а кроме того, вероятно, еще и потому, что отвечал желанию физиков находить в природе подобные симметрии. Большинство интуитивно чувствовало, что природа не отдает предпочтение правому над левым, или наоборот.

НО!!!

Было обнаружено, что имеются многочисленные экспериментальные подтверждения сохранения четности при сильном и электромагнитном взаимодействиях, но такое подтверждение полностью отсутствует в случае слабых взаимодействий. Гравитация – это настолько относительно слабая сила, что при взаимодействиях элементарных частиц ею обычно пренебрегают. Ни из одного из отчетов ученых не следовало подтверждения принципа сохранения четности при слабых взаимодействиях, хотя распад тета- и тау-частиц на пи-мезоны включают таковые. Я. и Ли быстро продумали, как провести эксперименты, позволявшие дать точный ответ на вопрос, сохраняется ли четность при слабых взаимодействиях. Поскольку они были теоретиками, то проведение экспериментов предоставили другим.

Первыми, кто откликнулся на их призыв, были By Цзяньсюн из Колумбийского университета вместе с физиками из Национального бюро стандартов США. В 1956...1957 гг. после шести месяцев изнурительной подготовки к трудному эксперименту By поместила радиоактивный кобальт внутрь электромагнита и охладила его до температуры, близкой к абсолютному нулю, дабы свести до минимума влияние теплового движения. Кобальт испускает бета-частицы (электроны) и нейтрино (незаряженные частицы с нулевой массой). Поскольку атомы ведут себя как маленькие магниты, их направления параллельны электромагнитному полю, задающему определенную ориентацию. Если бы четность сохранялась при радиоактивном распаде кобальта, являющемся слабым взаимодействием, то в направлении северного и южного полюсов магнита вылетало бы равное число испускаемых электронов. By обнаружила, что больше электронов вылетает с южного конца. Четность не сохранялась. Последовавшие затем эксперименты других ученых почти немедленно подтвердили нарушение закона сохранения четности при распаде и превращении пи-мезонов в мю-мезоны и мю-мезонов в электроны и нейтрино (или антинейтрино). В мю-мезонах и электронах проявляется асимметрия направлений вперед-назад.

При невыполнении закона четности Я. и Ли смогли предположить, что тета и тау и в самом деле одна частица, способная к двум различным типам распада. Нарушение закона сохранения четности вызвало целую лавину теоретических и экспериментальных исследований. С этими новыми исследованиями ученые связывали надежды на создание единой теории поля, объединяющей четыре известных вида взаимодействия, идея которой напрямую связана с именем Альберта Эйнштейна.