Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Обнаружение анизотропии реликтового излучения

С самого его открытия в 1964 году реликтовое излучение стало чрезвычайно интересным для изучения явлением. Действительно, это излучение дает сведения о самой ранней Вселенной, которые только можно получить электромагнитными методами. Большая часть реликтового излучения исходит от так называемой поверхности последнего рассеяния, соответствующей возрасту Вселенной в 380 тысяч лет. До этого времени, т.е. до конца эпохи рекомбинации, Вселенная была просто непрозрачной, поэтому увидеть в ней что-то невозможно.

Средняя температура реликтового излучения, как известно из посвященного ему вопросу, составляет около 2.7 кельвин. Эта температура с большой степенью точности одинакова по всем направлениям в пространстве (изотропна), а также не имеет сезонных изменений. Тем не менее, крайне интересным является изучение (температурной) анизотропии реликтового излучения — ведь именно она может дать сведения о структуре юной Вселенной.

Главная часть анизотропии — так называемая дипольная анизотропия — связана с эффектом Доплера и аберрацией фонового излучения для наблюдателя, находящегося на Земле. Земля вместе с Солнечной системой, Млечным Путем и сверхскоплением Девы движется относительно системы отсчета фонового излучения со скоростью примерно 627 км/с, что порождает дипольную анизотропию примерно в 3 милликельвина. Этот вид анизотропии является вторичным, поскольку зависит от движения Земли и процессов, проходящих во Вселенной уже после эпохи рекомбинации. Интересной же является первичная анизотропия, обусловленная эволюцией Вселенной до конца эпохи рекомбинации — а также вторичная анизотропия, связанная с наиболее ранними стадиями развития после окончания этой эпохи.

Недипольная анизотропия реликтового излучения была обнаружена в 1992 году советским зондом серии «Прогноз» и независимо американским аппаратом COBE (COsmic Background Explorer). Ее характерная величина составляет 10–20 микрокельвин, т.е. всего лишь порядка от средней температуры реликтового излучения. Распределение анизотропии по небесной сфере в проекции Мольвейде, полученное зондом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, запущен в 2001 г.), изображено ниже. От самых холодных к самым теплым цветам температура отличается на 0.5 милликельвин. Существенно, что для получения данного распределения необходимо вычесть из наблюдаемой температуры излучения доплеровские поправки (дипольную анизотропию) и микроволновое излучение Млечного Пути.

Чтобы анализировать полученную рябь, необходимо, с одной стороны, представлять себе эффекты, которые могли приводить к образованию неоднородностей в реликтовом фоне на исходе эпохи рекомбинации. С другой стороны, необходимо просто как-то расшифровать данную красивую, но мало чего говорящую картинку. Для последнего используется обычно разложение по сферическим гармоникам (мультипольное разложение). Несколько гармоник с наименьшим орбитальным моментом изображены ниже.

Гармоника соответствует постоянному усредненному фону, гармоники  — дипольной,  — квадрупольной анизотропии и т.д. Данное разложение есть аналог разложения функции времени на гармонические функции различных частот — только в данном случае функция задана на сфере. Чем больше значение орбитального момента, тем более мелкие особенности профиля анизотропии может ухватить соответствующий набор гармоник. Распределение температурной анизотропии по изображено на графике ниже. По оси абсцисс отложен момент и соответствующее угловое разрешение на небесной сфере; по оси ординат отложен средний квадрат температурного отклонения, приходящийся на гармоники с данным , в микрокельвинах. Как видим, на графике присутствуют нетривиальные пики с и , а также, возможно, и пики при еще больших значения момента.

О каких же процессах в ранней Вселенной говорят эти «мертвые» графики? Чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо представлять эффекты, которые могли порождать неоднородности излучения в конце эпохи рекомбинации и начале «темных веков». Кратко перечислим эти эффекты:

  1. Эффект Сакса–Вольфа: гравитационное линзирование реликтовых фотонов на первичных неоднородностях гравитационного поля, созданных неоднородным распределением массы-энергии;
  2. Эффект Силка: области с большим числом барионов были заполнены и большим числом фотонов (так называемые адиабатические флуктуации плотности), поэтому были горячее;
  3. Эффект Доплера: некоторые области в ранней Вселенной имели собственную скорость движения, которая накладывалась на расширение Вселенной и модифицировала распределение спектра, мощности и поляризации излучения;
  4. Эффект Сюняева–Зельдовича: прохождение реликтовых фотонов через облако горячих электронов приводит к обмену энергии между ними — при этом реликтовые фотоны нагреваются. Данный эффект порождает вторичную анизотропию, поскольку относится к эпохе с красным смещением (для эпохи рекомбинации ).

Наличие пиков на спектре анизотропии связывают с наличием акустических осцилляций в первичной барион-фотонной плазме. Барионы благодаря гравитационному взаимодействию стремятся образовать сгустки, усиливающие анизотропию — а фотоны, наоборот, максимально быстро заполняют «свободный» объем, ослабляя ее. У данной системы может существовать колебательный режим, который и фиксируется в виде спектральных пиков температурной анизотропии.

По распределению анизотропии также можно восстановить среднюю длину свободного пробега фотонов в первичной плазме и отсюда определить толщину поверхности последнего рассеяния, другими словами, длительность эпохи, в течение которой формировалось реликтовое излучение, наблюдаемое нами сегодня. Эта величина оценивается примерно в 115 тысяч лет. При этом середина эпохи формирования фонового излучения приходится на конец эпохи рекомбинации (380 тысяч лет от Большого Взрыва).

Более того, измерение характерных спектральных особенностей распределения анизотропии позволяет даже измерить кривизну Вселенной в те далекие времена. Этот результат чрезвычайно важен для космологических моделей (см. Проблема плоскостности).

Эпоха «темных веков», последовавшая за эпохой рекомбинации и длившаяся примерно полмиллиарда лет, также может быть исследована только с помощью реликтового излучения: звезды еще не сформировались, и обычные астрономические наблюдения не могут дать никакой информации. Здесь ключевыми являются эффекты взаимодействия реликтового излучения и заполняющего Вселенную «межзвездного» газа. Например, реликтовые фотоны, распространяясь в ионизированном водородном газе, испытывают томсоновское рассеяние на свободных электронах, которое порождает анизотропию поляризации реликтового излучения. Эта анизотропия, как и температурная анизотропия, была обнаружена зондом WMAP — и говорит в пользу ионизации Вселенной в дозвездную эпоху. По поводу источника этой ионизации в научном сообществе до сих пор продолжаются жаркие дебаты.

Исследование масштабной инвариантности температурной анизотропии и вкладов так называемых магнитных (роторных) мод в поляризационную анизотропию дает сведения об эпохе инфляции, т.е. самом начале Вселенной, а также о первичных гравитационных волнах.

Как видим, исследование реликтового излучение, при соединении усилий теоретиков и экспериментаторов, дает потрясающие результаты относительно эпох, в которые, казалось бы, просто невозможно заглянуть. Исследование реликтового излучения на сегодняшний день развилось в важную область астрофизики. Эта область активно развивается и обещает новые открытия. Неслучайно в 2006 году Нобелевский Комитет отметил американских ученых Джона Мазера (род. 1946) и Джорджа Смута (род. 1945) Премией по физике за открытие анизотропии и чернотельного спектра реликтового излучения.

<<К предыдущему эксперименту  |  Общая теория относительности  |  К следующему эксперименту>>