Главная Новости Карта сайта
Реклама

Меню
Тайны Вселенной / Анизотропия реликтового излучения

Анизотропия реликтового излучения как индикатор ранней Вселенной

Планковский характер спектра реликтового излучения является свидетельством существования в прошлом состояния локального термодинамического равновесия (ЛТР) между квантами и космической плазмой. Это условие позволяет построить детальную тепловую историю ранней Вселенной с указанием характерных этапов, когда происходило изменение качественного состава материи вследствие взаимопревращений различного рода элементарных частиц.

Однако, по мере приближения к современному состоянию равновесие между плазмой и излучением неизбежно должно было разрушиться, ведь расширение Вселенной одновременно является и источником охлаждения вещества.

Охлаждение космической плазмы приводит к необратимым изменениям ее состава - свободные электроны захватываются протонами и образуют нейтральные атомы водорода. Этот процесс играет решающую роль в динамике формирования анизотропии реликтового излучения, поскольку резкое уменьшение концентрации свободных носителей заряда (электронов и протонов) "выключает" реликтовое излучение из взаимодействия с веществом. При этом спектр реликтового излучения "консервирует" в себе информацию о свойствах поверхности последнего рассеяния квантов на свободных носителях заряда. Каковы же свойства этой "поверхности" ?

Этот вопрос, несмотря на его кажущуюся простоту, на протяжении почти 30 лет определял вектор развития одного из самых бурно прогрессирующих направлений внегалактической радиоастрономии, стимулируя как теоретические, так и экспериментальные исследования. Дело в том, что именно свойства поверхности последнего рассеяния квантов на электронах являются ключом к решению важнейшей проблемы астрофизики, да и всего естествознания - как и почему в расширяющейся Вселенной возникли различные структурные формы самоорганизации материи?

Корни этой проблемы уходят глубоко в историю астрономии и физики, к эпохе Галилео Галилея и Исаака Ньютона, когда первый, с помощью простейшего телескопа, существенно расширил горизонты изучения космоса, а второй, открыв закон всемирного тяготения, показал, что небесные тела движутся (и существуют) благодаря гравитации материи.

Следующий шаг в решении проблемы сделал Джеймс Джинс, опубликовавший в 1902 году знаменитую работу о гравитационной неустойчивости пылевидной материи. Вкратце, постановка задачи и основные результаты этой работы сводились к следующему.

Представим себе, что космическое пространство заполнено однородно распределенным веществом, давлением которого можно пренебречь. Создадим в этом веществе слабую сферически симметричную неоднородность плотности (флуктуацию). Пусть для определенности это будет зона сгущения вещества. Тогда этот избыток вещества будет автоматически создавать избыток гравитационного поля, который, в свою очередь будет вызывать гравитационное ускорение частиц и, направленное к центру конфигурации. Такое движение вещества к центру, в свою очередь, приводит к уплотнению вещества, а, следовательно - к увеличению его плотности. Далее круг замыкается. Увеличение плотности приводит к увеличению гравитации, гравитация усиливает поле скоростей, скорости повышают степень уплотнения и т.д. Точный расчет показывает, что если в момент создания флуктуации начальный контраст плотности был сколь угодно мал, но конечен, то с течением времени он будет возрастать чрезвычайно быстро.

Применительно к галактикам, элементарные расчеты, основанные на идее Джинса, показывают, что за время порядка 3-10 млрд. лет микроскопические по амплитуде флуктуации плотности успеют дорасти до современного уровня и сформировать галактики. На первый взгляд, ключ к решению проблемы происхождения структур во Вселенной найден, ведь в любой системе большого числа частиц всегда существуют малые флуктуации в распределении их плотности (так называемые, статистические флуктуации). И, если для данной системы главным взаимодействием между частицами является гравитационное взаимодействие, то стоит подождать сравнительно небольшой отрезок времени, как вся система распадется на сгустки!

Есть, правда, одна маленькая деталь, которая портит все впечатление от простоты и элегантности решения проблемы. Дело в том, что мы не случайно обратили внимание на год публикации работы Джеймса Джинса - 1902. До открытия хаббловского разбегания галактик еще оставалось почти 27 лет.

К чему же приведет учет эффекта расширения Вселенной? Качественно ответ на этот вопрос ясен - расширение приводит к перестройке поля скоростей вещества в зоне неоднородности и вместо уплотнения конфигурации мы получим прямо противоположный эффект - неоднородность в распределении гравитирующей материи должна диссипировать (сглаживаться). Казалось бы, после 1929 года эффективный механизм гравитационной неустойчивости можно "списывать на свалку истории". Но, к счастью, это оказалось не так.

В 1946 году советский физики Е.М. Лифшиц детально исследовал вопрос о темпе гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной. Основные выводы его работы сводились к следующему.

Действительно, космологическое расширение приводит к уменьшению скорости нарастания амплитуды неоднородностей. Но средняя плотность материи уменьшается во времени еще быстрее. Следовательно, контраст плотности все-таки возрастает, хотя и значительно медленнее, по сравнению с наивным результатом, базирующемся на идее Дж. Джинса.

На первый взгляд, чисто количественное различие - вместо сильного лишь относительно слабый темп роста флуктуаций. Однако за этим различием кроются фундаментальные физические следствия. И, прежде всего - структура во Вселенной не является продуктом усиления обычных статистических флуктуаций плотности вещества! Отсюда вывод - для развития структур в расширяющейся Вселенной уровня статистических флуктуаций недостаточно, а следовательно, в первичной космической плазме должны существовать малые неравновесные флуктуации, уровень которых, однако, превышает естественный равновесный фон на десятки порядков! Напомним, что это - 1946 год. До открытия реликтового излучения еще нужно подождать почти 20 лет, а до экспериментального обнаружения этих флуктуаций - почти все 50!.

Таким образом, для разных направлений на небе, соответствующих флуктуациям интенсивности реликтового излучения на поверхности последнего рассеяния, должны возникать вариации уровня сигнала. Их величину принято называть уровнем угловой анизотропии реликтового излучения. Эта анизотропия "замораживается" в спектре излучения в эпоху рекомбинации водорода и сохраняется вплоть до настоящего момента времени, а механизм ее генерации, обусловленный рассеянием квантов на движущемся веществе, кратко называют Доплер-эффектом.

Помимо анизотропии, формируемой неоднородностями поверхности последнего рассеяния, существенную роль в формировании картины распределения интенсивности реликтового излучения на небе играет гравитационное смещение частоты квантов в процессе их распространения от эпохи рекомбинации водорода к наблюдателю. Проходя через зоны повышенной и пониженной плотности, которым соответствуют неоднородности гравитационного потенциала, кванты излучения испытывают "синее смещение", при входе в зону повышенной плотности, и - "красное смещение" - при выходе.

Влияние Доплер-эффекта и гравитационного смещения разделены естественным образом. Первый существенен в масштабах L<200 Мпс, (соответствующий угловой диапазон q <1° ), второй при L>200 Мпс (q >1°).

Таким образом, масштабы, соответствующие наблюдаемой в настоящее время крупномасштабной структуре в распределении вещества, формируют анизотропию реликтового излучения на малых углах под воздействием рассеяния квантов на движущемся веществе. В угловых масштабах больше 1° ( и L>200 Мпс) неоднородности во Вселенной еще не успели сформировать какую бы то ни было структуру - необходимо "подождать" определенный промежуток времени, превышающий современный возраст Вселенной в десятки раз, чтобы и в этих масштабах возникли новые формы самоорганизации вещества.


Коллективный разум
Коллективное поведение животных в корне отличается от поведения отдельно взятых индивидов. Стае или популяции присуще непонятное нам пока свойство, которое принято называть «единой волей», либо «повелительным импульсом», которому подчиняются отдельные особи...
Тайны и загадки Солнечной системы
Десять самых невероятных загадок солнечной системы...
Тень в мировых мифах
Издавна, человеческой тени отдавали большое значение и считали её чем то таинственным и мистическим. В большинстве стран существует легенда, что тень – это второе "Я" человека. Особенно миф был распространён на Руси. Славянские народы полагали, что тень может отделяться от человека...
Подземная цивилизация планеты Земля
Можно сказать, что эта загадка планеты Земля разгадана, ведь современные исследователи уже сделали свой вывод – мы не единственные жители на планете Земля. Свидетельства давних лет, а также открытия ученых 20 – 21 века, утверждают, что на Земле, вернее, под землей с глубокой древности и до наших дней существовали загадочные цивилизации.
Инопланетяне скрываются в недрах Земли
Очередные загадки планеты Земля. Неожиданно, как будто сговорившись, уфологи разных стран стали обсуждать тему подземных баз пришельцев. Оказывается, эти базы имеются практически везде: в США, Чили, Китае и, конечно, в России. Сразу же возникает вопрос: почему под землей?
Тайны Земли 2016