Реликтовое излучение

Реликтовое излучение (от лат. Relictum – остаток; также космическое микроволновое излучение от англ. Cosmic microwave background radiation) – космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и спектром, характерным для абсолютно черного тела с температурой 2,725.
Существование реликтового излучения было предусмотрено в рамках теории Большого взрыва. Хотя сегодня многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения остались без изменений. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных времен существования Вселенной и равномерно ее заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещение, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.
Срок реликтовое излучение предложил советский ученый-астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский.
Анизотропия реликтового излучения по данным спутника WMAP. Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представлял собой горячую плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов. Благодаря эффекту Комптона, фотоны постоянно взаимодействовали с другими частицами плазмы, в частности путем упругих столкновений и обмена энергией с ними. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно черного тела.
С расширением Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы и на определенном этапе для электронов стало энергетически выгоднее, соединившись с протонами – ядрами водорода и альфа-частицами – ядрами гелия, сформировать атомы. Этот процесс называется рекомбинацией, и он состоялся при температуре плазмы 3000 К (примерный возраст Вселенной – 400 000 лет). С этого времени фотоны освободились от взаимодействия с веществом и начали свободно перемещаться в пространстве, почти не взаимодействуя с нейтральными атомами. Горизонт видимости, или сфера наблюдения, которая соответствует этому моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это – самый удаленный объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре. В результате дальнейшего охлаждения за счет красного смещения, температура реликтового излучения снизилась и составляет 2,725 К.
Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом 1948 года на основе созданной ими первой теории горячей Вселенной. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они имели существенные недостатки. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, предположение о том, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они зависели от расположения Земли и солнечной системы на краю Млечного Пути и не предполагали, что излучение однородно и изотропно. Они бы дали совершенно другие результаты, будь Земля в другом месте Вселенной.
Результаты Гамова не имели широкого обсуждения в научной периодике. Для этого их было вновь переоткрыто в начале 60-х годов Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем. 1964 году этот подтолкнуло Дэвида Тодда Уилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке из Принстонского университета, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.
1965 Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили радиометр Дикке, который они хотели применить для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. Во время калибровки прибора выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 К игравшая роль теплового "шума"), которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: "Мы сорвали куш, парни". Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что избыточная температура антенны была обусловлена в первую очередь реликтовым излучением. 1978 Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию за это открытие.
1983 года было осуществлено первый эксперимент Реликт-1 по измерению анизотропии реликтового излучения (с одной стороны она обусловлена движением Солнца относительно него, а с другой – фундаментальной неоднородностью Вселенной в далеком прошлом), с космического аппарата.
Спектрофотометр дальнего ИК излучения (FIRAS), установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE), исполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти величины стали наиболее точными данными измерений спектра реликтового излучения, которые подтверждают его принадлежность к спектру абсолютно черного тела. Наиболее подробная карта реликтового излучения построена по результатам работы американского космического аппарата WMAP.
Реликтовое излучение изотропно лишь в одной системе координат. Если наблюдатель движется относительно этой системы координат, вследствие эффекта Допплера возникает анизотропия. По результатам наблюдений установлено, что наша Галактика движется относительно указанной системы координат со скоростью около 600 км / с в направлении созвездия Льва.