Реликтовое излучение. Анизотропия реликтового излучения. Проблема космологической постоянной. Тёмная энергия.

Реликтовое излучение

• Согласно модели горячей Вселенной, реликтовое излучение (РИ, или космическое микроволновое фоновое

излучение, cosmic microwave background radiation, CMB) является остаточным излучением, формировавшимся

на самых ранних высокотемпературных стадиях эволюции Вселенной во времена, близкие к началу расширения современной Вселенной около 13,7 млрд. лет назад.

• РИ открыто А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1964 году (Нобелевская премия 1978 года).

• В начале расширения Вселенная находилась в состоянии практически идеального термодинамического равновесия и имела чрезвычайно высокую температуру. С тех пор Вселенная остывает и продолжает расширяться. Температура равновесного излучения с момента отделения его от вещества (~ 3 000 К) уменьшилась примерно в 1 000 раз. Однако при этом равновесное планковское распределение в ходе красного смещения и расширения остаётся равновесным.

• Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2.728 К

• Максимум приходится на частоту 160.4 ГГц, что соответствует длине волны 1.9 мм

• Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных

подтверждений модели горячей Вселенной

• РИ изотропно с точностью до 0,001 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК.

• Однако наблюдаются небольшие (около 0,1%) отклонения от средней температуры в зависимости от того, в каком направлении на небе проводится измерение. РИ изотропно лишь в системе координат, связанной со всей системой разбегающихся галактик, т.е. в «сопутствующей системе отсчёта», которая расширяется вместе с Вселенной. В любой другой системе координат температура излучения зависит от направления.

• Дипольная составляющая РИ вызвана движением измеряющего прибора относительно реликтового излучения: эффект Доплера приводит к «посинению» фотонов, распространяющихся навстречу прибору, и к «покраснению» догоняющих его фотонов. На фоне однородного распределения температуры появляется два

«полюса» – тёплый в направлении движения и холодный в противоположном направлении.

• Измерения с искусственных спутников Земли показали, что Солнечная система движется так, что амплитуда дипольной составляющей температуры реликтового излучения равна 3,35 мК, что соответствует скорости движения 366 км/с.

• Солнце движется относительно излучения в направлении границы созвездий Льва и Чаши к точке с экваториальными координатами α = 11h12m и δ = –7,1° (эпоха J2000), что соответствует галактическим координатам λ = 264,26° и β = 48,22°.

• Учёт движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении λ0 = 93 ± 2° и β0 = –4 ± 2°.

• Движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении около λ = 269° и β = +29°.

• РИ – современный «эфир».

Анизотропия реликтового излучения

• Сегодня на очень больших масштабах Вселенная однородна. Однако, как это доказывается нашим собственным существованием, неоднородности существуют вплоть до масштабов порядка 100 Mпк. Очевидно, что зародыши этих структур являлись неоднородностями плотности материи в ранней Вселенной. Эти неоднородности должны оставить следы в РИ.

• Эти следы проявляются в форме температурной анизотропии (пятна с повышенной и пониженной температурой) РИ. В 1992 году спутник COBE обнаружил температурные флуктуации δ T в РИ (δ T / T ~ 10–5) в угловом масштабе около 7º. Анизотропия, детектируемая COBE, рассматривалась как результат крупномасштабных флуктуаций, вызванные неоднородностями (звуковыми волнами), генерируемыми при образовании Вселенной.

• Более поздние наблюдения (BOOMERanG, 1997–2003, WMAP, 2001–2010,) обнаружили мелкомасштабную анизотропию РИ, которая соответствует физическому масштабу наблюдаемых сегодня структур. Считается, что эта анизотропия является результатом квантовых флуктуаций в плотности. Они существовали до инфляции, но были очень сильно усилены в период инфляции. Эти усиленные флуктуации и стали внутренними возмущениями плотности, семенами нынешних структурных образований.

• Источники анизотропии РИ могут быть разделены на две категории: первичные и вторичные. Первичная анизотропия возникла в период рекомбинации и «впечатана» в РИ (сохраняется в РИ после того как фотоны покинули поверхность последнего рассеяния). Вторичная анизотропия возникает в процессе рассеяния фотонов на их пути от поверхности последнего рассеяния до

наблюдателя.

• Существует три источника первичной анизотропии РИ: эффект Саша – Вольфа (Sachs – Wolfe), внутренние (адиабатические) возмущения, эффект Доплера.

• Основной вклад в анизотропию в больших угловых масштабах (более 10º) вносит гравитационное красное смещения, заключающееся в том, что свет, исходящий из областей, где плотность материи выше средней, испытывает красное смещение, И наоборот, излучение из более разреженных областей испытывает синее смещение (относительно общего фона).

• На промежуточных масштабах основной эффект обязан адиабатическим возмущениям. Рекомбинация возникает позже в тех областях, где плотность больше, поэтому фотоны, испускаемые областями с повышенной плотностью, испытывают меньшее красное смещение и потому оказываются более «горячими».

• Наконец, на самых маленьких масштабах (около 1º) важным становится эффект Доплера. Он возникает потому, что на поверхности последнего рассеяния фотоны рассеиваются в движущейся плазме.

Тёмная энергия и её возможные носители

• Все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь одинаковую наблюдаемую яркость, поскольку они вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

• В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла.

• Т.о., оказывается, что параметр Хаббла для относительно близких галактик выше, чем для далёких галактик. То есть, параметр Хаббла не оставался постоянным на протяжении значительных промежутков времени (сотни миллионов и миллиарды лет), — он увеличивался, и, следует полагать, продолжает увеличиваться.

• Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

• Расширение пространства при этом не приводит к расширению вещества, т.к. частицы вещества связаны более значительными на малых расстояниях силами взаимодействия (электромагнитными и гравитационными).

• В результате обработки обширных систематических наблюдений анизотропии РИ было установлено, что средняя плотность Вселенной ρ близка к критическому значению ρ с. Не исключено, что обе плотности строго равны. Отношение плотностей Ω (параметр плотности):

• При этом параметр плотности материи (видимой ρB и скрытой ρD) не превышает 30% от критической:

 

 

• Для снятия противоречия можно предположить, что пространство Вселенной обладает ненулевой кривизной. Тогда критическая плотность будет зависеть от величины Rк – радиуса кривизны пространства в современную эпоху:

• Однако, во-первых, заметная кривизна пространства крайне трудно согласуется с идеей инфляционной Вселенной; во-вторых, современный возраст Вселенной в такой модели ограничивается 11 млрд. лет, в то время как оценки времени существования самых старых объектов во Вселенной (например, шаровых скоплений) дают значения 12–14 млрд. лет.

• На рубеже XX–XXI веков по данным угловой анизотропии РИ было окончательно установлено, что трёхмерное пространство Вселенной с высокой точностью евклидово, т.е. 1/ Rк близко к нулю.

• Т.о., ранее существовавшие космологические модели исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя (как видимая, так и тёмная).

• На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, нулевой кривизне пространства и др., было постулировано существование неизвестного вида энергии с

отрицательным давлением. Ее назвали тёмной энергией.

• В настоящее время предполагается, что тёмная энергия является носителем антитяготения, т.е., силы, которая приводит к ускоряющемуся расширению Вселенной.

• Антитяготение проявляется только на межгалактических расстояниях.

Проблема космологической постоянной

По мнению многих физиков, занимающихся квантовой гравитацией, малая величина космологической постоянной трудно согласуется с предсказаниями квантовой физики и поэтому составляет отдельную проблему, именуемую «проблемой космологической постоянной». Всё дело в том, что у физиков нет теории, способной однозначно ответить на вопрос: почему космологическая постоянная так мала или вообще равна 0. Если рассматривать эту величину как тензор энергии-импульса вакуума, то она может интерпретироваться как суммарная энергия, которая находится в пустом пространстве. Естественным разумным значением такой величины считается её планковское значение, даваемое и различными расчётами энергии квантовых флуктуаций. Оно, однако, отличается от экспериментального на 120 порядков, это худшее теоретическое предсказание в истории физики.