Реликтовое излучение и его анизотропия¶

Реликтовое излучение — космическое электромагнитное излучение, равномерно заполняющее наблюдаемую Вселенную и обладающее спектром абсолютно чёрного тела с температурой около 2,725 К. Оно представляет собой остаточное тепловое излучение горячей плазмы ранней Вселенной, возникшее в эпоху рекомбинации, и является одним из главных наблюдательных подтверждений модели Большого взрыва.

¶Происхождение

Согласно стандартной космологической модели, через примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва температура вещества упала до ~3000 К. При этой температуре электроны и протоны начали объединяться в нейтральные атомы водорода — произошла рекомбинация. До этого свободные электроны интенсивно рассеивали фотоны, и вещество было непрозрачным для излучения. После рекомбинации фотоны перестали взаимодействовать с веществом и стали распространяться свободно, постепенно остывая из-за космологического красного смещения. Именно эти фотоны наблюдаются сегодня как реликтовое излучение.

Термин «реликтовое» предложил в 1960-х годах советский астрофизик Иосиф Шкловский. Теоретически излучение предсказывали Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Херман в 1948 году, оценив его температуру в несколько кельвинов.

¶Открытие

В 1964–1965 годах Арно Пензиас и Роберт Вильсон, исследуя шумы рупорной антенны в Холмделе (США), обнаружили избыточный сигнал, не зависящий от направления и времени. Этот шум соответствовал излучению с температурой около 3 К и оказался реликтовым. За открытие учёные получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году. В 1990 году результаты подтвердил и уточнил космический аппарат COBE.

¶Основные характеристики

• Температура: 2,72548 ± 0,00057 К (по данным миссии Planck).
• Спектр: практически идеально соответствует излучению абсолютно чёрного тела.
• Изотропность: в первом приближении излучение одинаково во всех направлениях.

¶Анизотропия

Анизотропия реликтового излучения — это малые отклонения температуры и поляризации от среднего значения в разных направлениях на небе. Именно она несёт основную информацию о ранней Вселенной.

Различают несколько типов анизотропии:

• Дипольная анизотропия — связана с движением Солнечной системы относительно системы покоя реликтового излучения. Её амплитуда около 3,3 мК, что соответствует скорости ~370 км/с.
• Первичная (температурная) анизотропия — флуктуации порядка 10⁻⁵ К, отражающие неоднородности плотности плазмы в момент рекомбинации. Именно из этих неоднородностей впоследствии выросли галактики и их скопления.
• Поляризационная анизотропия — возникает при рассеянии излучения на свободных электронах и делится на E-моды и B-моды. B-моды связывают с первичными гравитационными волнами.

Анизотропия раскладывается по сферическим гармоникам, а её угловой спектр мощности имеет характерные акустические пики. Положение и высота этих пиков позволяют определять ключевые космологические параметры: постоянную Хаббла, плотность барионного вещества, плотность тёмной материи и тёмной энергии, а также геометрию Вселенной.

¶Наблюдательные миссии

Данные этих миссий легли в основу современной стандартной космологической модели ΛCDM. Дальнейшие исследования направлены на поиск следов первичных гравитационных волн в B-модах поляризации.