МИКРОВОЛНО́ВОЕ ФО́НОВОЕ ИЗЛУЧЕ́НИЕ

МИКРОВОЛНО́ВОЕ ФО́НОВОЕ ИЗЛУ­ЧЕ́­НИЕ (ре­лик­то­вое из­лу­че­ние), кос­мич. элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, имею­щее спектр аб­со­лют­но чёр­но­го те­ла с темп-рой $T=2,725$ $K$. Да­ёт осн. вклад в ин­тен­сив­ность фо­но­во­го из­лу­че­ния Все­лен­ной в диа­па­зо­не сан­ти­мет­ро­вых, мил­лимет­ро­вых и суб­мил­ли­мет­ро­вых длин волн; ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­кой сте­пе­нью изо­тро­пии (ин­тен­сив­ность оди­на­ко­ва во всех на­прав­ле­ни­ях с точ­но­стью 10^–5). От­кры­тие M. ф. и. (А. Пен­зи­ас, P. Виль­сон, 1964–1965; Но­бе­лев­ская пр., 1978) под­твер­ди­ло го­ря­чей Все­лен­ной тео­рию и ста­ло важ­ным экс­пе­рим. сви­де­тель­ст­вом в поль­зу ква­зиф­рид­ма­нов­ской мо­де­ли Все­лен­ной.

Рис. 1. Спектр микроволнового фонового излучения Вселенной (точки); погрешность экспериментальных точек увеличена в 400 раз. Сплошная линия – чернотельный планковский спектр с температурой 2,725 К.

Со­глас­но тео­рии го­ря­чей Все­лен­ной, ве­ще­ст­во рас­ши­ряю­щей­ся Все­лен­ной име­ло в про­шлом на­мно­го бо­лее вы­со­кую плот­ность и чрез­вы­чай­но вы­со­кую темп-ру. При $T>$10⁸ К пер­вич­ная плаз­ма, со­сто­яв­шая из про­то­нов, ио­нов ге­лия и элек­тро­нов, не­пре­рыв­но из­лу­чаю­щих, рас­сеи­ваю­щих и по­гло­щаю­щих фо­то­ны, на­хо­ди­лась в пол­ном тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сии с из­лу­че­ни­ем. В про­цес­се рас­ши­ре­ния ве­ще­ст­ва температуpы плаз­мы и из­лу­че­ния па­да­ли, и на­чи­ная с не­кото­ро­го мо­мен­та вре­ме­ни взаи­мо­дей­ст­вие час­тиц с фо­то­на­ми уже не ус­пе­ва­ло за ха­рак­тер­ное вре­мя рас­ши­ре­ния за­мет­но вли­ять на спектр из­лу­че­ния. По­ка темп-pa пре­вы­ша­ла 3000 К, пер­вич­ное ве­ще­ст­во бы­ло пол­но­стью ио­ни­зо­ва­но, про­бег фо­то­нов от од­но­го ак­та рас­сея­ния до дру­го­го был мно­го мень­ше го­ри­зон­та со­бы­тий во Все­лен­ной. При $T≈$ 3000 К про­изош­ла ре­ком­би­на­ция про­то­нов и элек­тро­нов с об­ра­зо­ва­ни­ем во­до­ро­да, плаз­ма пре­вра­ти­лась в ней­траль­ное ве­ще­ст­во, и Все­лен­ная ста­ла про­зрач­ной для из­лу­че­ния. В хо­де по­сле­дую­ще­го рас­ши­ре­ния темп-pa из­лу­че­ния про­дол­жа­ла па­дать, но чер­но­тель­ный ха­рак­тер из­лу­че­ния со­хра­нил­ся как ре­ликт или «па­мять» о ран­нем пе­рио­де эво­лю­ции Все­лен­ной (рис. 1).

В на­стоя­щее вре­мя энер­гия фо­то­нов М. ф. и. ма­ла – в 3000 раз мень­ше энер­гии фо­то­нов ви­ди­мо­го све­та, но чис­ло фо­то­нов это­го из­лу­че­ния очень ве­ли­ко. На ка­ж­дый ба­ри­он во Все­лен­ной при­хо­дит­ся по­ряд­ка 10⁹ фо­то­нов M. ф. и. Плот­ность чис­ла ре­лик­то­вых фо­то­нов со­став­ля­ет 415 см^–3.

Ни звёз­ды и ра­дио­га­лак­ти­ки, ни го­ря­чий меж­га­лак­тич. газ, ни пе­ре­из­лу­че­ние на меж­звёзд­ной пы­ли не мо­гут дать из­лу­че­ния, при­бли­жаю­ще­го­ся по свой­ст­вам к M. ф. и.; сум­мар­ная энер­гия это­го из­лу­че­ния слиш­ком ве­ли­ка по срав­не­нию с др. ви­да­ми из­лу­че­ний, и спектр его не по­хож ни на спектр звёзд, ни на спектр ра­дио­ис­точ­ни­ков. Этим, а так­же вы­со­кой сте­пе­нью изо­тро­пии до­ка­зы­ва­ет­ся кос­мо­ло­гич. про­ис­хо­ж­де­ние мик­ро­вол­но­во­го фо­но­во­го из­лу­че­ния.

Спектр M. ф. и. не­сёт ин­фор­ма­цию о те­п­ло­вой ис­то­рии Все­лен­ной. Про­цес­сы ан­ни­ги­ля­ции ве­ще­ст­ва и ан­ти­ве­ще­ст­ва, дис­си­па­ция мел­ко­мас­штаб­ных дви­же­ний ма­те­рии, ис­па­ре­ние пер­вич­ных чёр­ных дыр ма­лой мас­сы, рас­пад не­ста­биль­ных эле­мен­тар­ных час­тиц да­ют энер­го­вы­де­ле­ние на ран­них ста­ди­ях рас­ши­ре­ния Все­лен­ной, что долж­но бы­ло ис­ка­зить чер­но­тель­ный спектр М. ф. и. Вклад в ис­ка­же­ние спек­тра М. ф. и. вно­сит и сам про­цесс ре­ком­би­на­ции, од­на­ко чис­ло ре­ком­би­на­ци­он­ных фо­то­нов край­не ма­лó (по­ряд­ка 10^–9 от их об­ще­го чис­ла). От­кло­не­ния спек­тра М. ф. и. от чер­но­тель­но­го не пре­вы­ша­ют со­той до­ли про­цен­та и по­ка не об­на­ру­же­ны.

Анизотропия микроволнового фонового излучения

Рис. 2. Карта анизотропии микроволнового фонового излучения на небесной сфере. Составлена по результатам анализа данных за 5 лет наблюдений на спутнике WMAP. Вычтен вклад Галактики, диапазон отклонени...

Ани­зо­тро­пия ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния, свя­зан­ная с дви­же­ни­ем Сол­неч­ной сис­те­мы от­но­си­тель­но по­ля это­го из­лу­че­ния, име­ет ди­поль­ный ха­рак­тер. В на­прав­ле­нии на со­звез­дие Льва темп-pa M. ф. и. на 3,358·10^–3 К пре­выша­ет сред­нюю, а в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии (со­звез­дие Во­до­лея) на столь­ко же ни­же сред­ней. Сле­до­ва­тель­но, Солн­це (вме­сте с Зем­лёй) дви­жет­ся от­но­си­тель­но M. ф. и. со ско­ро­стью ок. 370 км/с по на­прав­ле­нию к со­звез­дию Льва. Учёт ско­ро­стей дви­же­ния Солн­ца во­круг цен­тра Га­лак­ти­ки и са­мой Га­лак­ти­ки в Ме­ст­ной груп­пе га­лак­тик по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить ско­рость дви­же­ния Ме­ст­ной груп­пы от­но­си­тель­но M. ф. и. Она со­став­ля­ет ок. 600 км/с.

Ком­по­нен­та ани­зо­тро­пии М. ф. и., свя­зан­ная с дви­же­ни­ем Га­лак­ти­ки от­но­си­тель­но это­го из­лу­че­ния, слу­чай­на, и её нель­зя пред­ска­зать из мо­дель­ных со­обра­же­ний. Кос­мо­ло­гич. ани­зо­тро­пия М. ф. и. бо­лее слож­но за­ви­сит от ори­ен­та­ции на не­бес­ной сфе­ре, од­на­ко она не за­ви­сит от час­то­ты. Кос­мо­ло­гич. ани­зо­тро­пия М. ф. и. с ам­пли­ту­дой 10^–5 на уг­ло­вом мас­шта­бе 10° об­на­ру­же­на в 1992. Это по­зво­ли­ло сде­лать важ­ные вы­во­ды о гео­мет­рии Все­лен­ной и до­ка­зать су­ще­ст­во­ва­ние ма­те­рии не­ба­ри­он­ной при­ро­ды.

Рас­пре­де­ле­ние М. ф. и. на не­бес­ной сфе­ре (рис. 2) сви­де­тель­ст­ву­ет о ква­зи­од­но­род­ном рас­пре­де­ле­нии ве­ще­ст­ва и гра­ви­тац. по­ля в ран­ней Все­лен­ной. Это оз­на­ча­ет, что гео­мет­рия Все­лен­ной опи­сы­ва­лась сла­бо­воз­му­щён­ной мо­де­лью Фрид­ма­на, при­чём глав­ной мо­дой воз­му­ще­ний, «от­пе­ча­тан­ной» в ани­зо­тро­пии М. ф. и., ока­за­лась рас­ту­щая адиа­ба­ти­че­ская ветвь не­од­но­род­но­стей плот­но­сти, ко­то­рая име­ла слу­чай­ное (га­ус­со­во) рас­пре­де­ле­ние в про­стран­ст­ве и ха­рак­тер­ный спектр с ам­пли­ту­дой $ΔT/T∼$10^–5 и со­от­вет­ст­вую­щей мо­ду­ля­ци­он­ной ком­по­нен­той, свя­зан­ной со зву­ко­вы­ми ко­ле­ба­ния­ми ба­рио­нов в до­ре­ком­би­на­ци­он­ной Все­лен­ной (са­ха­ров­ские ос­цил­ля­ции).

За­дол­го до от­кры­тия ани­зо­тро­пии М. ф. и. тео­ре­ти­че­ски бы­ло пред­ска­за­но ро­ж­де­ние та­ких кос­мо­ло­гич. не­од­но­род­но­стей из кван­то­вых флук­туа­ций плот­но­сти под дей­ст­ви­ем быс­тро­пе­ре­мен­но­го гра­ви­тац. по­ля в ран­ней Все­лен­ной (па­ра­мет­рич. уси­ле­ние, или кван­то­во-гра­ви­тац. ро­ж­де­ние воз­му­ще­ний). Да­лее эти ма­лые не­од­но­род­но­сти плот­но­сти рос­ли из-за гра­ви­тац. не­ус­той­чи­во­сти в хо­де рас­ши­ре­ния Все­лен­ной. Ес­ли знать, ка­ко­вы бы­ли ам­пли­ту­ды не­од­но­род­но­сти ве­ще­ст­ва в мо­мент ре­ком­би­на­ции, мож­но ус­та­но­вить, за ка­кое вре­мя они мог­ли вы­рас­ти до еди­ни­цы, по­сле че­го об­лас­ти с по­вы­шен­ной плот­но­стью вы­де­ли­лись из об­ще­го рас­ши­ряю­ще­го­ся фо­на и да­ли на­ча­ло га­лак­ти­кам, груп­пам и ско­п­ле­ни­ям га­лак­тик (см. Круп­но­мас­штаб­ная струк­ту­ра Все­лен­ной). Дать ин­фор­ма­цию об ам­пли­ту­де на­чаль­ных не­од­но­род­но­стей плот­но­сти в мо­мент ре­ком­би­на­ции мо­жет лишь М. ф. и. По­сколь­ку до ре­ком­би­на­ции из­лу­че­ние бы­ло жё­ст­ко свя­за­но с ба­ри­он­ным ве­ще­ст­вом (фо­то­ны рас­сеи­ва­лись на элек­тро­нах, а те бы­ли «при­вя­за­ны» к про­то­нам че­рез ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие), то не­од­но­род­но­сти в про­стран­ст­вен­ном рас­пре­де­ле­нии ве­ще­ст­ва при­во­ди­ли к не­од­но­род­но­стям плот­но­сти энер­гии из­лу­че­ния, т. е. к раз­ли­чию темп-ры из­лу­че­ния в раз­ных по плот­но­сти об­лас­тях Все­лен­ной. По­сле ре­ком­би­на­ции ве­ще­ст­во пе­ре­ста­ло взаи­мо­дей­ст­во­вать с из­лу­че­ни­ем и ста­ло для не­го про­зрач­ным, а M. ф. и. со­хра­ни­ло всю ин­фор­ма­цию о не­од­но­род­но­стях плот­но­сти ба­рио­нов во Все­лен­ной в пе­ри­од ре­ком­би­на­ции.

В кон. 20 – нач. 21 вв. про­ве­де­но неск. экс­пе­ри­мен­тов (Ре­ликт, COBE, BOOMERanG, MAXIMA, WMAP, Plank), в хо­де ко­то­рых про­во­ди­лось ис­сле­до­ва­ние кос­мо­ло­гич. ани­зо­тро­пии М. ф. и. В час­ти из них (Ре­ликт, COBE, WMAP, Plank) экс­пе­рим. ком­плек­сы бы­ли ус­танов­ле­ны на КА, дли­тель­ность мис­сий при этом со­став­ля­ла неск. лет, в ос­таль­ных – на бал­ло­нах, вы­со­та подъ­ё­ма над зем­ной по­верх­но­стью бы­ла око­ло 40 тыс. км, а дли­тель­ность – все­го неск. не­дель. За от­кры­тие чер­но­тель­ной фор­мы спек­тра и ани­зо­тро­пии кос­ми­че­ско­го М. ф. и. Дж. Ма­зе­ру и Дж. Сму­ту при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. (2006).

Уг­ло­вая ани­зо­тро­пия М. ф. и. мо­жет быть раз­ло­же­на на отд. гар­мо­ни­ки с по­мо­щью при­сое­ди­нён­ных по­ли­но­мов Ле­жан­д­ра, что по­зво­ля­ет по­лу­чить ам­плиту­ду ани­зо­тро­пии на разл. уг­ло­вых мас­шта­бах – от 90° до уг­ло­вых ми­нут; ми­ним. ог­ра­ни­че­ние свя­за­но с уг­ло­вым раз­ре­ше­ни­ем при­ём­ни­ков из­лу­че­ния. Вид по­лу­чен­ной кри­вой да­ёт воз­мож­ность вос­ста­но­вить зна­че­ния важ­ней­ших кос­мо­ло­гич. па­ра­мет­ров. По­вы­ше­ние точ­но­сти из­ме­ре­ния кос­мо­ло­гич. па­ра­мет­ров (в т. ч. с по­мо­щью дан­ных по ани­зо­тро­пии М. ф. и.) и рас­ши­ре­ние экс­пе­рим. ба­зы на­блю­да­тель­ной кос­мо­ло­гии при­ве­ло на ру­бе­же 20–21 вв. к по­яв­ле­нию стан­дарт­ной кос­мо­ло­гич. мо­де­ли (см. Кос­мо­ло­гия).

Ани­зо­тро­пия М. ф. и. мо­жет быть вы­зва­на не толь­ко на­ли­чи­ем флук­туа­ций в рас­пре­де­ле­нии ве­ще­ст­ва, но и пер­вич­ны­ми гра­ви­тац. вол­на­ми, так­же ро­ж­даю­щи­ми­ся па­ра­мет­рич. об­ра­зом в хо­де ин­фля­ци­он­ной ста­дии рас­ши­ре­ния Все­лен­ной. Вы­де­ле­ние ком­по­нен­ты ани­зо­тро­пии, ге­не­ти­че­ски свя­зан­ной с гра­витац. вол­на­ми, – за­да­ча бли­жай­ших лет. По­ка име­ет­ся лишь верх­ний пре­дел (ок. 0,1) от­но­ше­ния вкла­дов гра­ви­тац. волн и воз­му­ще­ний плот­но­сти в круп­но­мас­штаб­ную ани­зо­тро­пию мик­ро­вол­но­во­го фо­но­во­го из­лу­че­ния.

Поляризация микроволнового фонового излучения

Ре­лик­то­вое из­лу­че­ние час­тич­но по­ля­ри­зо­ва­но, и этот эф­фект мо­жет быть из­ме­рен. По­ля­ри­за­ция воз­ни­ка­ет из-за рас­сея­ния элек­тро­маг­нит­ных волн на сво­бод­ных элек­тро­нах кос­мич. плаз­мы, вслед­ст­вие че­го на­прав­ле­ние век­то­ра на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля (псев­до­век­тор по­ля­ри­за­ции) ока­зы­ва­ет­ся ор­то­го­наль­ным плос­ко­сти, в ко­то­рой на­хо­ди­лись вол­но­вые век­то­ры па­даю­щей и рас­се­ян­ной волн. В слу­чае стро­го изо­троп­но­го фо­но­во­го из­лу­че­ния по­ля­ри­за­ция не мог­ла бы воз­ник­нуть в си­лу сим­мет­рии. Од­на­ко в ре­аль­ной Все­лен­ной по­то­ки ре­лик­то­вых фо­то­нов ани­зо­троп­ны из-за на­ли­чия кос­мо­ло­гич. воз­му­ще­ний. В ре­зуль­та­те сте­пень по­ля­ри­за­ции со­став­ля­ет ок. 10% от сте­пе­ни ани­зо­тро­пии, т. е. ве­ли­чи­ну $ΔT/T∼$10^–6.

В си­лу ма­ло­сти эф­фек­та за­да­ча де­тек­ти­ро­ва­ния по­ля­ри­за­ции М. ф. и. до кон­ца по­ка не ре­ше­на. На­дёж­но из­ме­ре­на толь­ко Е-мо­да по­ля­ри­за­ции, свя­зан­ная ис­клю­чи­тель­но с воз­му­ще­ния­ми плот­но­сти и пре­им. с элек­тро­на­ми эпо­хи реи­о­ни­за­ции ве­ще­ст­ва. Ес­ли «пят­но» (го­ря­чее или хо­лод­ное) на кар­те ани­зо­тро­пии М. ф. и. вы­зва­но из­быт­ком или де­фи­ци­том плот­но­сти ве­ще­ст­ва, то псев­до­век­то­ры, вы­стро­ен­ные на ок­руж­но­сти во­круг «пят­на», бу­дут на­прав­ле­ны вдоль ра­диу­са этой ок­руж­но­сти. Но ес­ли «пят­но» вы­зва­но влия­ни­ем гра­ви­тац. вол­ны, то псев­до­век­то­ры вы­стро­ят­ся по ка­са­тель­ной к ок­руж­но­сти. Это оз­на­ча­ет, что по­ля­ри­за­ция, вы­зван­ная воз­му­ще­ния­ми плот­но­сти, име­ет Е-ком­по­нен­ту, а по­ляри­за­ция, вы­зван­ная гра­ви­та­ци­он­ны­ми вол­на­ми, об­ла­да­ет как Е-, так и В-мо­дой. Т. о., об­на­ру­же­ние В-мо­ды ста­ло бы и об­на­ру­же­ни­ем кос­мо­ло­гич. гра­ви­тац. волн, что да­ло бы важ­ную ин­фор­ма­цию о па­ра­мет­рах Боль­шо­го взры­ва.