![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeКак известно, сразу после своего возникновения Вселенная была немыслимо плотной и горячей.
Пространство расширялось, плотность и температура Вселенной падали - и она стала чудовищно плотной и горячей.
Потом она стала чрезвычайно плотной и горячей. Плотность энергии упала настолько, что в ней начали образовываться более или менее стабильные элементарные частицы. До этого она была наполнена супом из самых разных частиц, которые нынче можно получить лишь в коллайдере..
Потом она стала очень плотной и горячей. Она была заполнена элементарными частицами (протонами, нейтронами, а также уже образовывашимися альфа-частицами (ядрами гелия), электронами) - и фотонами, которые носились среди них, обменивались энергиями, рассеивались и перенаправлялись...
Наконец,через триста восемьдесят тысяч лет после образования Вселенная стала просто плотной и горячей. Ее температура упала до трех тысяч градусов Кельвина, и при этой температуре протоны начали захватывать электроны, образуя водород, а альфа-частицы захватывая электроны, образовали гелий. То есть, наступил момент образования атомов - и теперь температура (энергия) фотонов была недостаточна для ионизации этих атомов. С этого момента фотоны перестали взаимодействовать с веществом и начали свободно летать по пространству.
Вселенная стала прозрачной. Произошло, как говорят, отделение вещества от излучения.
По мере расширения пространства Вселенная продолжала остывать, и фотоны, начавшие свободный полет по пространству - тоже. У них росла длина волны, и, соответственно, падала энергия.
И вот уже примерно 13,75 миллиарда лет они летят во всех направлениях по космосу - только теперь они уже стали радиоволнами длиной 1,9 миллиметра.
Они существуют везде, они приходят отовсюду и пронизывают всю Вселенную. Это - vetustissimus vestigia flammae, следы древнейшего пламени...
Это и есть реликтовое радиоизлучение. На английском языке - the cosmic microwave background, и, соответственно, для его обозначения очень часто применяется аббревиатура CMB.
А сейчас, когда мы регистрируем это излучение, мы, по сути дела, рассматриваем фотографию той, начальной Вселенной, древнейшую из всех возможных фотографий. Строго говоря, это фотография Вселенной возраста 380 тысяч лет от роду, представляющей собой разогретую до трех тысяч градусов плотную смесь водорода с гелием. Сейчас наблюдаемая нами в этом состоянии Вселенная имеет красное смещение порядка z=1100 и удаляется от нас со скоростью примерно 0,999997 от скорости света - это древнейшее наблюдаемое состояние Вселенной именуется поверхность последнего рассеивания: именно на ней на которой сегодняшние фотоны реликтового излучения последний раз рассеялись ионизированной материей.
Вот эта фотография:
Красным и синим цветами выделены направления в пространстве, от которых приходит более и менее "горячее" излучение.
Разность очень усилена, потому что на деле реликтовое излучение изотропно с точностью выше 0,01 процента, и на карте ("фотографии" ) показаны куда более слабые различия.
Интересные факты.
Наша Галактика движется относительно реликтового фона со скоростью около шестисот километров в секунду. Этот факт надежно устанавливается наблюдениями реликтового фона (в выделенном направлении он более интенсивен (более "горяч" ), в противоположном - более "холоден".
Плотность фотонов реликтового излучения очень велика - чуть меньше пятисот фотонов на каждый кубический сантиметр современной Вселенной. Их количество примерно в миллиард раз превосходит количество барионов (протонов и нейтронов) во Вселенной. Это число очень важно, потому что позволяет определить параметры фундаментальных взаимодействий. Фотоны реликтового излучения преимущественно обязаны своим появлением нарушению комбинированной четности, приведшему к тому, что частицы и античастицы распадаются с разными скоростями. В первые мгновения своего существования Вселенная была наполнена однородной смесью частиц и античастиц (кварков и глюонов), но из-за нарушения комбинированной четности античастицы распадались и превращались в нейтральные частицы чуть быстрее (по порядку величины, на одну миллиардную), чем частицы. В результате частиц стало на одну миллиардную долю больше, чем античастиц, после чего «лишние» частицы проаннигилировали с античастицами, превратившись в фотоны реликтового излучения, а от частиц осталась лишь миллиардная часть первоначального количества. В результате теперь во Вселенной на миллиард фотонов реликтового излучения приходится одна сильно взаимодействующая частица (барион), собственно, протон или нейтрон (остальные живут недолго). А наш мир состоит из протонов и нейтронов (и электронов), которым не грозит исчезновение при встрече с антипротонами, антинейтронами и позитронами. Наблюдаемое соотношение количества барионов и фотонов реликтового излучения является важнейшим экспериментальным фактом построения соответствующих теорий.
Изучение реликтового фона позволяет ответить на интересный вопрос: чему сейчас равна температура Вселенной? Ответ прост и ясен - 2,725 градуса Кельвина - именно такую температуру имеют фотоны реликтового фона и приобретет тело, находящееся с ними в тепловом равновесии. Ниже этой температуры тело, находящееся в тепловом равновесии с остальным миром, во Вселенной остыть не может.
А чему была равна температура Вселенной раньше - например, семь с лишним миллиардов лет назад? Понятно, что, раз Вселенная расширяется и фотоны реликтового фона "остывают", она должна была быть выше. Можно даже рассчитать по существующим моделям расширения, чему она была равна в какое-то время - а как проверить? Вдруг модели врут?
К счастью, температуру реликтового фона в древности измерить вполне можно. Впервые помогло исследование удаленного квазара PKS 1830-211. Обнаружилось, что по пути к нам фотоны, излученные этим квазаром, проходят через некую практически незаметную безымянную галактику, красное смещение которой z=0,89 (временное удаление 7,2 миллиарда лет). Соответственно, часть фотонов поглощается - а ширина линии поглощения определяется температурой поглощающего газа. В результате выяснилось, что холодный равновесный газ безымянной галактики имеет температуру 5,15 градусов Кельвина - то есть, температура реликтового излучения 7,2 миллиарда лет назад была именно такой. 5,15 градуса. За последние семь с небольшим миллиарда лет Вселенная остыла почти в два раза.
И что приятно - результат полностью соответствует теории.
Ну, а сама теория гласит следующее:
Чтобы узнать, какой была температура реликтового излучения в какой-то давний момент времени, достаточно перевести это временное удаление в красное смещение (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7963.html). И если мы выразили удаленность какого-то момента во времени в единицах красного смещения z, то температура реликтового излучения в градусах Кельвина в этот момент, в принципе, может быть выражена предельно простой формулой:
T(z) = 2,725 (1+z)
Вот и получаем, что, например, 7,2 миллиарда лет назад (z = 0,89) температура реликтового излучения должна была быть равной 2,725х(1+0,89) = 5,15 градусов Кельвина. В строгом соответствии с наблюдением.
А в момент образования реликтового излучения, то есть, в момент отделения излучения от вещества (когда Вселенная стала прозрачной) спустя 380 тысяч лет после своего образования на красном смещении примерно 1100, его температура, соответственно, была равной около трех тысяч градусов.
Все просто.
Пространство расширялось, плотность и температура Вселенной падали - и она стала чудовищно плотной и горячей.
Потом она стала чрезвычайно плотной и горячей. Плотность энергии упала настолько, что в ней начали образовываться более или менее стабильные элементарные частицы. До этого она была наполнена супом из самых разных частиц, которые нынче можно получить лишь в коллайдере..
Потом она стала очень плотной и горячей. Она была заполнена элементарными частицами (протонами, нейтронами, а также уже образовывашимися альфа-частицами (ядрами гелия), электронами) - и фотонами, которые носились среди них, обменивались энергиями, рассеивались и перенаправлялись...
Наконец,через триста восемьдесят тысяч лет после образования Вселенная стала просто плотной и горячей. Ее температура упала до трех тысяч градусов Кельвина, и при этой температуре протоны начали захватывать электроны, образуя водород, а альфа-частицы захватывая электроны, образовали гелий. То есть, наступил момент образования атомов - и теперь температура (энергия) фотонов была недостаточна для ионизации этих атомов. С этого момента фотоны перестали взаимодействовать с веществом и начали свободно летать по пространству.
Вселенная стала прозрачной. Произошло, как говорят, отделение вещества от излучения.
По мере расширения пространства Вселенная продолжала остывать, и фотоны, начавшие свободный полет по пространству - тоже. У них росла длина волны, и, соответственно, падала энергия.
И вот уже примерно 13,75 миллиарда лет они летят во всех направлениях по космосу - только теперь они уже стали радиоволнами длиной 1,9 миллиметра.
Они существуют везде, они приходят отовсюду и пронизывают всю Вселенную. Это - vetustissimus vestigia flammae, следы древнейшего пламени...
Это и есть реликтовое радиоизлучение. На английском языке - the cosmic microwave background, и, соответственно, для его обозначения очень часто применяется аббревиатура CMB.
А сейчас, когда мы регистрируем это излучение, мы, по сути дела, рассматриваем фотографию той, начальной Вселенной, древнейшую из всех возможных фотографий. Строго говоря, это фотография Вселенной возраста 380 тысяч лет от роду, представляющей собой разогретую до трех тысяч градусов плотную смесь водорода с гелием. Сейчас наблюдаемая нами в этом состоянии Вселенная имеет красное смещение порядка z=1100 и удаляется от нас со скоростью примерно 0,999997 от скорости света - это древнейшее наблюдаемое состояние Вселенной именуется поверхность последнего рассеивания: именно на ней на которой сегодняшние фотоны реликтового излучения последний раз рассеялись ионизированной материей.
Вот эта фотография:
Красным и синим цветами выделены направления в пространстве, от которых приходит более и менее "горячее" излучение.
Разность очень усилена, потому что на деле реликтовое излучение изотропно с точностью выше 0,01 процента, и на карте ("фотографии" ) показаны куда более слабые различия.
Интересные факты.
Наша Галактика движется относительно реликтового фона со скоростью около шестисот километров в секунду. Этот факт надежно устанавливается наблюдениями реликтового фона (в выделенном направлении он более интенсивен (более "горяч" ), в противоположном - более "холоден".
Плотность фотонов реликтового излучения очень велика - чуть меньше пятисот фотонов на каждый кубический сантиметр современной Вселенной. Их количество примерно в миллиард раз превосходит количество барионов (протонов и нейтронов) во Вселенной. Это число очень важно, потому что позволяет определить параметры фундаментальных взаимодействий. Фотоны реликтового излучения преимущественно обязаны своим появлением нарушению комбинированной четности, приведшему к тому, что частицы и античастицы распадаются с разными скоростями. В первые мгновения своего существования Вселенная была наполнена однородной смесью частиц и античастиц (кварков и глюонов), но из-за нарушения комбинированной четности античастицы распадались и превращались в нейтральные частицы чуть быстрее (по порядку величины, на одну миллиардную), чем частицы. В результате частиц стало на одну миллиардную долю больше, чем античастиц, после чего «лишние» частицы проаннигилировали с античастицами, превратившись в фотоны реликтового излучения, а от частиц осталась лишь миллиардная часть первоначального количества. В результате теперь во Вселенной на миллиард фотонов реликтового излучения приходится одна сильно взаимодействующая частица (барион), собственно, протон или нейтрон (остальные живут недолго). А наш мир состоит из протонов и нейтронов (и электронов), которым не грозит исчезновение при встрече с антипротонами, антинейтронами и позитронами. Наблюдаемое соотношение количества барионов и фотонов реликтового излучения является важнейшим экспериментальным фактом построения соответствующих теорий.
Изучение реликтового фона позволяет ответить на интересный вопрос: чему сейчас равна температура Вселенной? Ответ прост и ясен - 2,725 градуса Кельвина - именно такую температуру имеют фотоны реликтового фона и приобретет тело, находящееся с ними в тепловом равновесии. Ниже этой температуры тело, находящееся в тепловом равновесии с остальным миром, во Вселенной остыть не может.
А чему была равна температура Вселенной раньше - например, семь с лишним миллиардов лет назад? Понятно, что, раз Вселенная расширяется и фотоны реликтового фона "остывают", она должна была быть выше. Можно даже рассчитать по существующим моделям расширения, чему она была равна в какое-то время - а как проверить? Вдруг модели врут?
К счастью, температуру реликтового фона в древности измерить вполне можно. Впервые помогло исследование удаленного квазара PKS 1830-211. Обнаружилось, что по пути к нам фотоны, излученные этим квазаром, проходят через некую практически незаметную безымянную галактику, красное смещение которой z=0,89 (временное удаление 7,2 миллиарда лет). Соответственно, часть фотонов поглощается - а ширина линии поглощения определяется температурой поглощающего газа. В результате выяснилось, что холодный равновесный газ безымянной галактики имеет температуру 5,15 градусов Кельвина - то есть, температура реликтового излучения 7,2 миллиарда лет назад была именно такой. 5,15 градуса. За последние семь с небольшим миллиарда лет Вселенная остыла почти в два раза.
И что приятно - результат полностью соответствует теории.
Ну, а сама теория гласит следующее:
Чтобы узнать, какой была температура реликтового излучения в какой-то давний момент времени, достаточно перевести это временное удаление в красное смещение (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7963.html). И если мы выразили удаленность какого-то момента во времени в единицах красного смещения z, то температура реликтового излучения в градусах Кельвина в этот момент, в принципе, может быть выражена предельно простой формулой:
T(z) = 2,725 (1+z)
Вот и получаем, что, например, 7,2 миллиарда лет назад (z = 0,89) температура реликтового излучения должна была быть равной 2,725х(1+0,89) = 5,15 градусов Кельвина. В строгом соответствии с наблюдением.
А в момент образования реликтового излучения, то есть, в момент отделения излучения от вещества (когда Вселенная стала прозрачной) спустя 380 тысяч лет после своего образования на красном смещении примерно 1100, его температура, соответственно, была равной около трех тысяч градусов.
Все просто.
