Космически микровълнов фон весела Георгиева, гпче „Ромен Ролан”



Дата13.01.2017
Размер139.58 Kb.
КОСМИЧЕСКИ МИКРОВЪЛНОВ ФОН
Весела Георгиева, ГПЧЕ „Ромен Ролан” 12 клас

рък. Н. Кискинова,НАОП „Юрий Гагарин”

Стара Загора

Едно от малко известните предвиждания, чието сбъдване е предизвикало значителни промени в представата на хората за заобикалящата ги Вселена е хипотезата на Джордж Гамов и белгийския духовник и учен абат Жорж Льометр, че вследствие от Големия взрив би трябвало да се появи хомогенно, нискотемпературно лъчение, което да се

р
азпространи из цялата Вселена. По-късно, през 1964, Дороцкевич и Новиков доказват, че то трябва да има спектър на абсолютно черно тяло с максимум на излъчването в микровълновия диапазон. Именно подобен микровълнов фон случайно е засечен през 1965 от Арно Пензиас и Робърт Уилсън. Тогава те опитвали да използват една голяма съобщителна антена, притежание на лабораториите Бел в Холмдел, Ню Джърси, но имали проблем с неспиращ фонов шум – едно постоянно свистене, което правело невъзможно да се извършва експериментална работа.

Арно Пензиас и Робърт Уилсън

Неотслабващ и нефокусиран, шумът идвал от всяка точка на небето, ден и нощ, през всички сезони. В началото те си обяснили наблюдаваното явление с повреда на антената, но след многократни експерименти установили, че апаратурата е напълно изправна. Цяла година младите радиоинженери правели всичко възможно, което било по силите им да открият източника на шума и да го елиминират. Тествали всяка електрическа верига, размествали жици, почиствали щепсели. Качили се в чинията, като облепили с лепенка всяка спойка и нит, прецизно изчистили антените. И въпреки това странното лъчение продължило да струи от всички точки на небето.

Те не подозирали, че на 50 км. от тях в Пристънския университет, екип от учени начело с Робърт Дике работел върху откриването именно на това, което те толкова усилено се опитвали да премахнат. Изследователите от Принстън следвали идеята, която била лансирана през 1940-те от родения в Русия астрофизик Джордж Гамов, че ако се търси достатъчно упорито, то трябва да се открие някакво космическо фоново лъчение в простраството - остатък от Големия взрив. Гамов изчислил, че преминавайки през огромната шир на Космоса, лъчението би трябвало да достигне Земята като микровълни. В една своя публикация той дори посочва инструмента за откриване на тези микровълни – антената на Бел в Холмдел. За съжаление, нито Пензиас, нито Уилсън, нито пък някой от екипа в Принстън не бил прочел труда на Гамов.

За еднаквия принос на радиоинженерите Арно Пензиас и Робърт Уилсон за откриването на реликтовото лъчение /КМЛ-космическо микровълново лъчение/, всеки от тях получава 1/2 от Нобеловата награда по физика през 1978.

При своя опит Арно Пензиас и Робърт Уилсън провеждали измервания само в две честоти. Години по-късно били направени измервания и в други честоти, които показали, че загадъчното лъчение твърде много прилича на излъчването на абсолютно черно тяло. Тъй като не била известна прозрачността на земната атмосфера за различните видове електромагнитни лъчи, провели се допълнителни измервания с помощта на спътник. Така се заражда идеята за проекта COBE – Cosmic Background Explorer, в основата на който стои Мадър. За първи път той представя на НАСА предложението си за изпращане на проба за засичане на фоновото, наречено още реликтово или остатъчно от Големия взрив излъчване през 1974 година. Изпълнението на проекта обаче се забавя чак до 18-ти ноември 1989, поради финансови причини, а впоследствие и поради замразяването на полетите на совалките след нещастния случай с „Чаланджър”. Усилията на Мадър и близо 1000 души от неговия екип накрая се увенчават с успех. Първите неясни образи на фоновото лъчение по небето са получени през 1992 г. от спътника COBE. Макар и революционен, резултатът бе и разочароващ заради нефокусираната картина на ранната Вселена. Учените не успяха да анализират “горещите петна” или флуктуациите , които са от порядъка на 1° от небето, защото уредите на СОВЕ се оказаха не достатъчно чувствителни и не можеха да доловят флуктуации по-малки от 7°. (Това не попречило на пресата ентусиазирано да кръсти снимката “лицето на Бога”, макар че по-точно би било да се нарекат “детски снимки” на новородената Вселена. Ако приемем Вселената днес за 80-годишен човек, тези снимки са от първите часове след раждането му – 370 000 години след Големия взрив.)




Спътникът СОВЕ

Въпреки разочарованието на учените, трябва да признаем, че СОВЕ бил снабден със свръхчувствителни антени, измерващи смущенията във възможно повече посоки на възможно повече честоти. Най-важни сред тях са три инструмента, покриващи вълновите обхвати от 1 μm до 1 cm за измерване на анизотропията и спектъра на КМЛ, както и дифузното инфрачервено фоново лъчение:



  • DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment): Чувствителна антена, призвана да измерва космическия микровълнов фон

  • DMR (Differential Microwave Radiometer), чрез който се търси нехомогенността на лъчението в областите с дължина на вълната 3 mm, 6 mm и 10 mm с разделителна способност около 7°.

  • FIRAS (Far Infrared Background Experiment) трябва да измерва спектъра на лъчението и да го сравнява със спектъра на абсолютно черно тяло, очаквана според модела на Големия взрив, която е различна, например от този на звездите. Работи в областта с дължина на вълната 0,1-10 mm.

С
поред получените от FIRAS стойности спектърът на лъчението напълно съвпада с този на абсолютно черно тяло, което означава, че е открито и документирано именно онова лъчение, потвърждаващс Големия взрив, дал началния тласък на нашата Вселена.

Колебанията, отчетени при измерването имат площ по-малка от тази на теоретичната линия. Тъй като целта на опита била да се измери микровълновия фон, били отстранени всички смущения, предизвикани от познати източници /Раковидната мъглявина, свръхнови и др./.



П
олученото изображение показва удивителната хомогенност на лъчението. Температурата му възлиза на 2.725 K и напълно съответства на теоретичните предсказвания
.

Но Земята се върти около Слънцето и заедно с него – около центъра на Млечния път. Нашата Галактика също се движи в Местната група галактики към купа галактики в Дева. Скоростите на всички тези движения силно се различават от тази на микровълновото фоново излъчване.

Т
ъй като Земята се движи спрямо КМЛ, очаква се определена диполна температурна анизотропия от порядъка на ΔT/T = 10-3, представена на долното изображение. Когато пък през 80-те години бе взето предвид наличието на тъмна материя, предсказваните равнища на флуктуациите бяха снижени до около 10-5, което вече представляваше голямо предизвикателство пред експериментаторите.
Максимумът на лъчението се намирал в точно определена посока (единия полюс на изобразената сфера), а минимумът – в другият полюс. Причината за това явление е относителното движение на Млечния път и Земята спрямо микровълновия фон. Дължината на вълната на светлината наблюдавана по посока на движението е изместена към синьото поради Доплеровия ефект. Температурата на микровълновия фон в тези участъци изглежда по-висока. Вярно е и обратното – светлината, наблюдавана в противоположната посока е изместена към нискочестотния край на спектъра и изглежда по-студена.

Излъчването, идващо оттам, накъдето се движи Земята е в синьо, а от другата посока – в червено. Оттук е определена скоростта на движение на Местната група галактики от порядъка на 600 км/сек спрямо фоновото реликтово лъчение – много по-голяма от очакваната.



К
огато се отстранят колебанията, причинени от движението на Земята, полученото изображение приема съвсем различен вид. Голямата червена ивица, която го разполовява се дължи на движението на Млечния път,


извършващо се със скорост 650 km/s.

Доплеровият ефект обяснява наблюдението на големите неравномерности, но когато се абстрахират от тях учените забелязват други още по-малки колебания.

Графика изобразяваща температурните колебания на микровълновия фон, получена въз основа на данните, събрани от сателита WMAP.

С
лед допълнителни изчисления и отстраняване на неравномерността, породена от относителното движение на млечния път са получени следните изображения:

О
т сателита COBE
и



от сателита WMAP

(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Мисията на WMAP се състои в повтаряне на измерванията на СОВЕ и подобряване на точността му. Затова изобразените температурни разлики изглеждат по-деликатно.


Нашето разбиране за еволюцията на Вселената почива на известен брой наблюдения, включително (преди СОВЕ) на факта, че

  • н
    ощното небе е тъмно – ефект на Олберс,


Олберс се питал: “След като на известно разтояние зад всяка звезда има две други звезди, защо нощното небе е тъмно, а не е облято с воал от дифузна светлина?”


  • на доминирането на количествата на водорода и хелия над тези на тежките елементи,

  • на откритото от Хъбл разширяване





Схематично изображение на обяснението за наблюдаванот от Хъбъл разбягване на галактики.

  • и на съществуването на КМЛ.

Наблюденията върху формата на спектъра на КМЛ, извършени на СОВЕ, и свързаните с тях температурни флуктуации дадоха извънредно силна подкрепа на модела на Големия взрив, доказвайки космологичния произход на КМЛ и откривайки първичните зародиши на наблюдаваните днес големи структури.


Въпреки че първите резултати с достатъчно голяма разделителна способност, позволяваща да се наблюдават малките температурни разлики, са получени през 1992 със спътника СОВЕ, нови наблюдения са осъществени през 1999, но не от Космоса, а с апаратура, издигната с помощта на хелиев балон. Използвани са предимствата на сухия климат на Антарктида. Съществуват два отделни проекта – “Бумеранг” (Ballon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophisics – Балонни наблюдемия на извънгалактическото радиационно лъчение и геофизика) и “Максима” (Millimeter Anisotropy Experiment Magina Arrary – милиметрова антенна решетка за измерване на анизотропията).

„Бумеранг” има главен телескоп с основно огледало с диаметър 1.2м и е издигнат посредством балон на височина 37 км. Той покрива област от небето с размер 1800 квадратни градуса, а разделителната му способност превъзхожда 35 пъти тази на СОВЕ, но качеството на получените снимки е надминато от тези на сателита WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).



WMAP е кръстен на космолога-пионер Дейвид Уилкинсън и е изведен в Космоса през 2001 г. на 30 юни с ракетата-носител “Делта ІІ” на орбита между Слънцето и Земята на разстояние 150 млн. км в т.н. 2-ра лагранжова точка. Така спътникът винаги е насочен обратно на Слънцето, Земята и Луната и обхваща цялото небе за 6 месеца. Апаратурата на борда му е истинско произведение на изкуството. Мощните сензори са в състояние да регистрират слабото микровълново лъчение от Големия взрив. Спътникът е от алуминиеви сплави с размери 3,8 на 5 метра и тежи 840 кг. Оборудван е с 2 обърнати в противоположни посоки телескопа, които фокусират микровълновото лъчение и го предават на Земята. Уредът се захранва само от 419 вата електричество – колкото 5 обикновени електрически крушки.

Въпреки обстойните измервания и прецизната обработка на данните, малките температурни колебания, възлизащи на около 0,001% не изчезват. По-топлите области са разположени до по-студени, а разгледани в големи мащаби температурните разлики се неутрализират и уравновесяват. Този факт е изключително важен, защото с негова помощ можем да надникнем назад във времето до мига, когато младата Вселена за първи път е озарена от светлината.

Според съвременните теории малките температурни колебания са причинени от неравномерното разпределение на материята преди 380 000 години след Големия взрив – момента, в който е излъчено реликтовото лъчение. Едва тогава вследствие на разширението на пространството, температурата на младата гореща Вселена намалява до 3000 келвина. . Охлаждането позволява на протоните и електроните да се обединят в атоми. Пространството се “прочиства” от интензивно взаимодействащите с фотоните електрони и Вселената става прозрачна за светлината - светлината, която днес наблюдаваме под формата на космическия микровълнов фон. Инфрачервеният максимум на лъчението се обяснява с по-нататъшното разширяване на Вселената, вследствие което нараства дължината на вълната на възникналото след изстиването и електромагнитно излъчване. Изместването на честотата и към инфрачервения спектър е най-старият в историята на Вселената пример за явлението, наречено „червено отместване”. Малките температурни разлики в космическия микровълнов фон бележат онези по-плътни места, около които с течение на времето под действието на гравитацията ще се събира все повече и повече материя, за да се запали ядрения огън в сърцата на първите звезди, да се образуват звездни купове и галактики.

В
ъз основа на еднородна и изотропна Вселена, съгласно стандартния космологичен модел за Големия взрив, не може да бъде обяснен произходът и еволюцията на нееднородните структури. За обяснение на възникването на Галактиките са предложени различни хипотези: ентропийна, предполагаща локални разлики в отношението на броя на барионите към броя на фотоните; турбулентна, основаваща се на вихрови движения във фотонната плазма и адиабатна. Последната, разработена от акад. Зелдович, един от създателите на съветското ядрено оръжие, предполага възникване на смущения във фотонната плазма в ранните етапи от разширението. Около 300 хиляди години след Големия взрив, Вселената е изпълнена с високотемпературна плазма, в която периодично възникват и се разпространяват акустични инфразвукови вълни. Тези вълни водят до колебания в плътността на лъчене на плазмата, които се усилват след рекомбинация на водорода от първичната плазма. Възникват области с гравитационна неустойчивост, където се образуват нееднородности с маси 10х13-10х14 слънчеви маси, съответстващи на масите на куповете от галактики. Зародишите на такива структури обаче би следвало да оставят някакъв характерен отпечатък върху картината на реликтовото излъчване. В почти хомогенното реликтово излъчване трябва да са се запазили известни малки температурни вариации, които са от порядъка на 0,00003 К.

Еволюцията на Вселената – такава каквато я описват най-съвременните теории. От огненото начало на Големия взрив до кротката светлина на звездите.
Наблюденията потвърдиха напълно горните теоретични изводи. Поразителната изотропност на реликтовото излъчване и измерения спектър, съответстващ на температура от 3°К /предполагаема начална температура около 3 000° К/ показват, че реликтовото излъчване произхожда от един и същ равномерно нагрят обект, т.е в ранния стадий на развитие на Вселената всички нейни области са били в пряк контакт и разширението е започнало с Големия взрив.

Точността, с която теорията предсказва наблюдавания резултат не само дава неоспоримо доказателство в полза на хипотезата за Големия взрив. Нещо повече, измервайки ъгловия диаметър на различно загретите области учените стигат до заключението, че Вселената, в която лъчението е възникнало и се е разпространило, е плоска. Това е възможно, защото теорията за Големия взрив предсказва реалния размер на неравномерностите в разпределението на материята. Сравнявайки очаквания размер с видимия, можем да разберем доколко се е “закривил” светлинният лъч. В една затворена Вселена, съдържаща много материя, закривяването би трябвало да увеличи наблюдавания размер (ефект известен под името „гравитационна леща”). В една отворена Вселена, съдържаща малко материя, обектите биха изглеждали значително по-малки. Сравнението между теоретичните предвиждания и реалните наблюдения разкрива, че обитаваме Вселена, съдържаща критичното количество материя, за да остане плоска.

Изпратените от WMAP данни


  • уточняват възрастта на Вселената на 13,7 млрд. години;

  • измерват с безпрецендентна точност температурата на фоновото излъчване – 2,7249 и 2,7251° К или –270,4251 и –270,4249° С.

  • Потвърждават по-ранните експерименти и показват, че видимото вещество е само 4%, от които на водорода и хелия се пада огромната част от тези проценти, а на тежките елементи – само 0,3 %!


Така физиците се оказаха пред факта, че Вселената се доминира от напълно нови и непознати форми материя и в известен смисъл се оказаха захвърлени столетия назад в миналото, преди появата на атомната хипотеза, изказана от древните гърци преди 2 000 години.

23% се пада на т.н. тъмно вещество, което дори в нашия Млечен път надвишава 10 пъти масата на звездите. Никой не знае какво представлява то, но индиректно чрез гравитацията му то е регистрирано чрез изкривяване на светлината като от оптическа леща – т.н. гравитационни лещи.

73% от Вселената е още по-екзотична материя, наречена тъмна енергия – невидима енергия, скрита в космическия вакуум, играеща роля на антигравитационна сила, която кара Вселената все по-ускорено да се разширява. Използвайки най-новата теория на субатомните частици, количеството тъмна енергия се изразява с число на 120-та степен!


  • Потвърждават експериментално разширението на Вселената

Така спътникът полага основите на едно нова картина на света. Водеща засега е инфлационната теория за Вселената. Това е усъвършенствана теория за Големия взрив, предложен за първи път от физика Алан Гът от Масачузетския технологичен институт. Според тази теория през първата трилионна от трилионната от секундата след Големия взрив, загадъчната антигравитация е накарала Вселената да се раздуе много бързо – много по-бързо от скоростта на светлината с невероятните 10х50 пъти. Тук няма противоречие с ограничението за скорост до тази на светлината, тъй като инфлацията става с пространството, а не с движението на материални обекти.

Това първоначално разширение е било толкова интензивно, че съществуват цели региони от Вселената, които са далеч отвъд видимата Вселена и които никога не ще можем да достигнем.

Теорията на инфлацията обаче не сочи причината, механизма за рязкото разширяване. Това означава, че този същият механизъм може да действа и сега някъде или да се задейства във всеки момент. Повторяемостта на инфлационните взривове изповядва руският физик Андрей Линде от Станфордския университет – теория на вечно повтарящата се или хаотична инфлация.

Инфлацията сама по себе си налага идеята за съществуването на много вселени. – казва Алан Гът, който пръв излиза с това предположение.

Според тази теория малка част от Вселената може внезапно да се разшири и да се “пъпкува”, полагайки началото на “дъщерна” вселена или “вселена-бебе”, която на свой ред да създаде друга вселена и т.н. Това означава, че и собствената ни Вселена в определен момент може да създаде своя дъщерна вселена, а може познатият ни свят да е започнал съществуването си чрез пъпкуване от някоя по-стара и ранна Вселена.

Данни на WMAP дават точна представа и за гибелта на Вселената – ако не стане нещо, което да спре ускоряващото се разширение под действие на антигравитацията или най-екзотичната 73% тъмна енергия на вакуума, то след 150 милиарда години 99,99999 от галактиките ще се скрият зад космологичния хоризонт – те ще бъдат толкова далеч, че островчето от 50-100 галактики от Местната система на Млечния път ще бъдат всичко на практика в тази твърде огромна Вселена. Светлината от всичките 100 милиарда галактики никога не ще достигне до очите на бъдещите астрономи и парадоксално, но те ще решат, че Вселената се състои от тези стотина галактики от Местния куп, на които гравитацията е по-силна от антигравитацията. Те не биха могли да регистрират продължаващато разширение на останалата част от Вселената и решат, че тя е статична, т.е неизменна.

По време на тяхното съществувана температурата на Вселенат все повече ще се доближава до абсолютната нула и когато я достигне, частиците ще престанат да трептят – всичко ще замре. Разширението ще остави една студена и мъртва Вселена от звезди-джуджета, неутронни звезди и черни дупки, които след време ще изчерпят енергията си и ще се разсеят, оставяйки след себе си безжизнена студена мъгла от реещи се субатомни частици. В такава безрадостна Вселена разумният живот е физически немислим по всички приемливи дефиниции. Железните закони на термодинамиката забраняват предаването на каквато и да било информация в подобни условия, а това означава, че за живота просто няма място.



Спътникът „Планк”, на който се възлагат надеждите за още по-подробни изображения на космическото фоново излъчване.

Въпреки мрачните прогнози се планира изпращането в Космоса на нови уреди с цел допълнително и още по-точно изследване на реликтовото лъчение.

Изкуственият спътник "Планк" на Европейската космическа агенция (ЕКА) ще бъде изстрелян с европейската ракета-носител "Ариана" 5 от космодрума в Куру, Френска Гвиана, на 31 юли 2008 г. Мисията му се състои в прецизно картографиране на микровълновото фоново лъчение.

Очаква се, че телескопът "Планк" ще създаде изображения на космическото фоново лъчение с най-високата разделителна способност, постигана досега. "Планк" ще изследва лъчението, останало след Големия взрив, в девет дължини на вълната в електромагнитния спектър - от гама лъчи до видима светлина и радиовълни, което ще позволи по-точното разграничаване на космическото микровълново фоново лъчение от другите сигнали в небосвода.

Голямата чувствителност на "Планк", ъгловата му разделителна способност и широкият диапазон от честоти ще помогнат на астрофизиците да съберат нова информация за хипотетичната тъмна енергия, изпълваща целия Космос.

Всички тези предположения, теории и научни достижения съществуват и са възможни благодарение на неуморния труд и неизтощимата любознателност на човека. Осъзнал, че Вселената не се върти около мъничката му планета, той отправя гордо предизвикателство на космическите тайни и разцепва черните простори на Всемира с могъщите лъчи на своето познание.





Литература:


http://www.mpifr-bonn.mpg.de/public/Dir_Bjoern/CMB1.html

http://www.der-kosmos.de/unser_universum.htm

http://nobel06.hit.bg/nobel06.html
Питър Коулс, „Космология”, 2006, изд. „Захарий Княжевски”

Брайън Грийн, „Елегантната Вселена”, 2004, изд. „Изток-запад”

Брайън Грийн, „Тъканта на Космоса”, 2005, изд. „Изток-запад”

Карл Сейгън, „Космос”,2004, изд БАРД



Брайън Мей, Патрик Мур, Крис Линтът, „Взривът – пълна история на Вселената”, 2007, изд. „Сиела”, София

Мичио Каку, „Паралелни светове”, 2006, изд. БАРД


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница