Космический микроволновый фон (CMB) — что это?
Космическон микроволновое фоновре излучение (CMB, от англ. Cosmic Microwave Background) — это излучение, которое заполнило всё пространство и представляет собой реликтовое излучение ранней Вселенной. Оно возникло около 380 000 лет после Большого взрыва и является важным источником информации о ранней стадии эволюции Вселенной.
Происхождение CMB
После Большого взрыва Вселенная была в состоянии очень высокой температуры и плотности. В первые секунды существования Вселенной она была заполнена горячей плазмой, состоящей из протонов, нейтронов, электронов и фотонов. При такой температуре фотон не мог свободно путешествовать, так как его взаимодействие с электронами и другими частицами происходило постоянно, создавая что-то вроде «светового газа». Это состояние называется эпохой фотоны-плазмы.
Когда Вселенная расширялась и остывала, примерно через 380 000 лет, температура снизилась до около 3000 K. Это позволило атомам водорода формироваться, так как протоны (ядра водорода) стали захватывать электроны, образуя нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Когда атомы водорода стали стабильными, фотон больше не мог взаимодействовать с электронами, и началось «освобождение» излучения — декуплинг фотонов от материи.
С этого момента фотон стал путешествовать по Вселенной свободно, и это излучение продолжает двигаться до сих пор, став тем самым космическим микроволновым фоновым излучением.
Характеристики CMB
CMB имеет несколько ключевых характеристик:
- Температура: Средняя температура CMB составляет около 2.725 K. Это соответствует микроволновому диапазону электромагнитных волн, откуда и название. Хотя излучение в основном однородно, существуют очень слабые флуктуации температуры (на уровне тысячных долей процента), которые дают ценную информацию о структуре Вселенной.
- Изотропность: CMB очень равномерно распределён по всему небу. Однако флуктуации температуры на уровне нескольких микрокельвинов (μK) дают представление о том, как плотность вещества в ранней Вселенной варьировалась.
- Поляризация: CMB также поляризовано. Это наблюдение помогает ученым понять, как происходили процессы в первые моменты существования Вселенной, включая влияние инфляции — гипотезы о сверхбыстром расширении Вселенной в первые фракции секунды после Большого взрыва.
Флуктуации CMB
Флуктуации в CMB являются важным индикатором, который указывает на первичные вариации плотности материи, существовавшие в первые моменты существования Вселенной. Эти флуктуации и являются «семенами» для формирования структуры Вселенной, такой как галактики и скопления галактик.
Флуктуации в CMB можно представить как маленькие «горячие» и «холодные» пятна. «Горячие» пятна — это области с более высокой плотностью материи, а «холодные» пятна — области с меньшей плотностью. Эти флуктуации были зафиксированы с поразительной точностью, особенно благодаря миссиям, таким как WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и Planck.
Инфляция и CMB
Одним из самых важных аспектов изучения CMB является его связь с теорией инфляции, предложенной в 1980-х годах. Инфляция предполагает, что Вселенная прошла через период экстремально быстрого расширения в первые доли секунды после Большого взрыва. Это объясняет наблюдаемую однородность и изотропность CMB, а также флуктуации в микроскопических масштабах.
Модели инфляции предсказывают, что CMB должен содержать особенности, такие как гравитационные волны, вызванные этим сверхбыстрым расширением. Хотя прямые свидетельства о таких волнах ещё не получены, это остается одной из главных задач космологии.
Значение CMB для науки
CMB является уникальным инструментом для изучения истории Вселенной, поскольку оно сохраняет информацию о её состояниях на самых ранних этапах существования. Анализ CMB позволяет астрономам:
- Определить возраст Вселенной. С помощью данных о CMB можно точно вычислить возраст Вселенной, который на данный момент оценивается в 13.8 миллиардов лет.
- Подтвердить модель Большого взрыва. Наблюдения CMB подтверждают гипотезу о том, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния.
- Изучить состав Вселенной. Примерно 68% Вселенной составляют темная энергия, 27% — темная материя, а лишь 5% — обычная материя, которая образует звезды, планеты и другие объекты. CMB помогает понять, как именно эти компоненты распределяются.
- Исследовать гравитационные волны. Несмотря на то, что явные доказательства существования гравитационных волн в CMB ещё не были получены, продолжаются поиски таких сигналов, что поможет расширить наши знания о самых ранних этапах Вселенной.
Основные миссии для изучения CMB
Для изучения CMB использовались различные космические миссии:
- COBE (Cosmic Background Explorer) — первая космическая миссия, которая в 1992 году сделала важное открытие, обнаружив точные данные о равномерности CMB.
- WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — в 2001 году запустила точные карты флуктуаций в CMB, которые помогли существенно уточнить параметры модели Вселенной.
- Planck — запущенный в 2009 году Европейским космическим агентством, этот спутник предоставил самые точные измерения CMB, что позволило существенно уточнить возраст, состав и структуру Вселенной.
CMB остается одной из самых мощных вех в астрономии и космологии, предлагая данные для множества теорий о происхождении и эволюции Вселенной.