Реликтовое излучение

Трехмерные мозаики

Плоскую топологически сложную трехмерную Вселенную можно построить
только на основе кубов, параллелепипедов и шестигранных призм. В случае
искривленного пространства такими свойствами обладает более широкий
класс фигур. При этом наиболее хорошо полученные в эксперименте WMAP
угловые спектры согласуются с моделью Вселенной, имеющей форму
додекаэдра. Этот правильный многогранник, имеющий 12 пятиугольных
граней, напоминает футбольный мячик, сшитый из пятиугольных лоскутков.
Оказывается, что в пространстве с небольшой положительной кривизной
правильными додекаэдрами можно без дыр и взаимных пересечений заполнить
все пространство. При определенном соотношении между размером
додекаэдра и кривизной для этого надо 120 сферических додекаэдров.
Более того, эту сложную структуру из сотни «мячиков» можно свести к
топологически эквивалентной, состоящей всего из одного-единственного
додекаэдра, у которого отождествлены повернутые на 180 градусов
противоположные грани.

Вселенная, образованная из такого додекаэдра, обладает рядом
интересных свойств: в ней нет выделенных направлений, и она лучше
большинства других моделей описывает величину низших угловых гармоник
реликтового фона. Такая картина возникает только в замкнутом мире с
отношением действительной плотности вещества к критической 1,013, что
попадает в интервал значений, допустимых сегодняшними наблюдениями
(1,02±0,02).

Для рядового жителя Земли все эти топологические хитросплетения на
первый взгляд не имеют особого значения. А вот для физиков и философов
— совсем другое дело. Как для мировоззрения в целом, так и для единой
теории, объясняющей строение нашего мира, эта гипотеза представляет
большой интерес. Поэтому, обнаружив аномалии в спектре реликта, ученые
стали искать другие факты, способные подтвердить или опровергнуть
предложенную топологическую теорию.

Звучащая плазмаНа
спектре флуктуаций реликтового фона красной линией обозначены
предсказания теоретической модели. Серый коридор вокруг нее —
допустимые отклонения, а черные точки — результаты наблюдений. Большая
часть данных получена в эксперименте WMAP, и только для самых высоких
гармоник добавлены результаты исследований CBI (баллонные) и ACBAR
(наземные антарктические). На нормированном графике углового спектра
флуктуаций реликтового излучения видно несколько максимумов. Это так
называемые «акустические пики», или «Сахаровские осцилляции». Их
существование было теоретически предсказано Андреем Сахаровым. Эти пики
обусловлены эффектом Доплера и вызваны движением плазмы в момент
рекомбинации. Максимальная амплитуда колебаний приходится на размер
причинно-связанной области (звукового горизонта) в момент рекомбинации.
На меньших масштабах плазменные колебания были ослаблены фотонной
вязкостью, а на больших — возмущения не зависели друг от друга и не
были сфазированы. Поэтому максимум флуктуаций, наблюдаемых в
современную эпоху, приходится на углы, под которыми сегодня виден
звуковой горизонт, то есть область первичной плазмы, жившая единой
жизнью в момент рекомбинации. Точное положение максимума зависит от
отношения полной плотности Вселенной к критической. Наблюдения
показывают, что первый, самый высокий пик расположен примерно на 200-й
гармонике, что по теории с высокой точностью соответствует плоской
Евклидовой Вселенной.

Очень много информации о космологических параметрах содержится во
втором и последующих акустических пиках. Само их существование отражает
факт «сфазированности» акустических колебаний в плазме в эпоху
рекомбинации. Если бы такой связи не было, то наблюдался бы только
первый пик, а флуктуации на всех меньших масштабах были бы
равновероятными. Но для того чтобы подобная причинная связь колебаний в
разных масштабах могла возникнуть, эти (очень сильно удаленные друг от
друга) области должны были иметь возможность взаимодействовать друг с
другом. Именно такая ситуация естественным образом возникает в модели
инфляционной Вселенной, а уверенное обнаружение второго и следующих
пиков в угловом спектре флуктуаций реликтового излучения является одним
из наиболее весомых подтверждений этого сценария.

Наблюдения реликтового излучения велись в области, близкой к
максимуму теплового спектра. Для температуры 3K он находится на длине
волны радиоизлучения 1мм. WMAP вел свои наблюдения на чуть более
длинных волнах: от 3 мм до 1,5 см. Этот диапазон достаточно близок к
максимуму, и в нем ниже шумы от звезд нашей Галактики.

Практика открытия

К началу 1960-х годов космология стала полем битвы двух конкурирующих теорий — большого взрыва и статической (стационарной) вселенной. У модели большого взрыва тогда была проблема — слишком молодой возраст вселенной (около двух миллиардов лет). Эта возрастная проблема делала очень сильными позиции учёных вроде Фреда Хойла, Германа Бонди и Томаса Голда, предлагающих теорию стационарного состояния, которая частично объясняла расширение Хаббла и предлагала новую физику статической вселенной, которая непрерывно создаёт новую материю.

Две теории, большого взрыва и статического состояния дали совершенно разные космологические концепции. В некотором смысле, «стационарная» модель была математически проще; она имела меньше сложных переменных параметров и позволяла делать более конкретные прогнозы.

Но в 1964 году астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон поставили жирный крест на всех распрях и дали миру железобетонные доказательства модели большого взрыва. Пытаясь откалибровать радиоантенну в Bell Labs, разработанную для обнаружения радиоволн от спутников, они заметили избыточный равномерный шум в небе, в 100 раз превышающий любой ожидаемый ими фон.

Сначала этот факт их сильно расстроил. Учёные посчитали, что тут одно из двух — либо антенна сконструирована неправильно, либо эфир засоряет «шум» с Земли. Они пошли на крайние меры, перебрав конструкцию с нуля и даже удалив всю пыль, мелкий сор и птичий помет из антенны, чтобы избавиться от этого фона. После кропотливой работы они обнаружили, что фон не исчезает. И его источник, не спутники, не Солнце и даже не наша собственная галактика. Он был внегалактическим и всеобъемлющем по своей природе, а его источник оставался загадочным.

В поисках объяснения, они наткнулись на работу астрономов Принстонского университета, которые искали реликтовое излучение в рамках изучения теории Большого Взрыва. Пензиас и Уилсон поняли, что обнаружили именно его. Обе группы опубликовали совместные статьи в «Астрофизическом журнале», описывающие открытие и интерпретирующие его как давно предсказанное космическое микроволновое фоновое излучение. За своё открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.

Первоначально обнаружение CMB стало источником раздора между сторонниками различных космологических теорий. Сторонники теории большого взрыва утверждали, что это было «реликтовое излучение», оставшееся от Большого взрыва, а сторонники теории статического состояния не сдавались и утверждали, что это лишь «звёздный свет от далёких галактик». Однако к 1970-м годам научный мир окончательно пришёл к консенсусу, приняв модель Большого взрыва в качестве основной.

История исследования

Первое случайное обнаружение

В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами CN в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил, что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения.

Предсказание

В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. 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 обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Предыстория

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента».

Открытие

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов.

В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Исследование неоднородностей

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев.

Файл:Cmbr.svg

Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE (ошибки измерений не видны в масштабе рисунка)

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE), выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства. Предполагалось, что наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев с возможным продлением полёта на 1 год, и что обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.

Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной

Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:

Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.

Видео

Источники

https://ru.wikipedia.org/wiki/Вселеннаяhttps://spacegid.com/kak-poyavilas-vselennaya.htmlhttps://cemicvet.mediasole.ru/chto_bylo_do_poyavleniya_vselennoyhttps://v-kosmose.com/kosmos/https://zaochnik-com.ru/blog/teorii-proisxozhdeniya-i-modeli-vselennoj/http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/168729-vselennayahttps://fb.ru/article/266573/kak-obrazovalas-vselennaya-teorii-obrazovaniya-vselennoy

Космический пейзаж

Холодные и горячие пятна, которыми усыпан океан фотонов, возникают из-за материи во Вселенной. В некоторых областях космоса материи больше, чем в других, поэтому фотоны, пролетая сквозь разные участки Вселенной, замедляются чуть по-разному, в зависимости от траектории. Точный узор микроволновых колебаний сообщает нам, до чего неравномерно материя распределялась задолго до того, как появились первые звезды и галактики.

Типичные размеры горячих точек тоже о многом говорят. Самые распространенные занимают около одного градуса в небе, что вдвое больше диаметра полной Луны. Ровно столько и предсказывали теоретики, глядя на распределение материи в современной Вселенной и строя проекцию прошлого, с учетом расширения Вселенной. Это совпадение предсказанного и наблюдаемого предполагает, что лучи света путешествуют сквозь Вселенную по прямой. Астрономы говорят, что Вселенная «плоская», потому что лучи не изгибаются и не отклоняются из-за искажений времени-пространства.

В целом история космического микроволнового фона — один из триумфов теоретиков. До сих пор им удавалось предсказывать его характеристики с поразительной точностью. Но может быть, наблюдатели найдут расхождения — нестыковки в данных о горячих точках со спутника «Планк» или в узорах поляризации, которые получаются в экспериментах, проводимых сейчас на Южном полюсе, на воздушных шарах и с применением специальных радиотелескопов, — расхождения, из которых родится новая физика.

Космический микроволновый фон

Излучение абсолютно черного тела

Угли для шашлыка и конфорки электроплит по мере нагрева до сотен градусов Цельсия краснеют, рыжеют и желтеют. Вольфрамовая нить лампы дневного света сияет белым, достигая более 3000 градусов Цельсия, как на поверхности звезды. С ростом температуры горячие тела сначала светятся красным, затем желтым, а при еще более сильном нагревании — и бело-голубым. Это распределение цветов — излучение абсолютно черного тела, потому что темные материалы лучше всего излучают и впитывают свет. Физики XIX века не могли объяснить, почему это так, независимо от задействованного в эксперименте вещества. Вильгельм Вин, лорд Рэлей и Джеймс Джинс отчасти разрешили эту загадку. Но Рэлей и Джинс предсказывали высвобождение бесконечной энергии на ультрафиолетовых длинах волн и выше — «ультрафиолетовую катастрофу». В 1901 году Макс Планк разобрался с этой неувязкой — объединил физику тепла и света и поделил электромагнитную энергию между субатомными единицами электромагнитного поля, которые назвал квантами. Мысль Планка стала семенем, из которого выросла одна из важнейших областей современной физики — квантовая теория.

Вильгельм Вин

Лорд Рэлей

Джеймс Джинс

Поделиться ссылкой

8.1. Основные сведения о космологических моделях

Основной
наблюдательный параметр, имеющий отношение к крупномасштабной структуре
Вселенной и к ее моделям – постоянная Хаббла H. Согласно закону Хаббла, для объектов на больших
расстояниях их скорости удаления от наблюдателя пропорциональны расстояниям: v
= Hl. По современным определениям, большинство исследователей
принимает величину H = =
75 км/(с×Мпк).
Обратная величина t = H–1 = 1.3·1010
лет – “возраст” Вселенной (т.е. время, прошедшее с начала расширения, если
расширение шло с постоянной скоростью).

Космологические модели
описываются зависимостью масштабного фактора от времени R(t). Масштабный фактор
вводится через величину четырехмерного линейного элемента

ds2 = c2dt2
– R2(t)du2,(8.1)

du – элемент
расстояния в сопутствующей трехмерной системе координат. Сопутствующей называется
система, покоящаяся относительно вещества, находящегося в ближайшей
окрестности. Введем сферическую систему координат (r, q, j) с началом в некоторой точке, покоящейся
относительно вещества. Тогда, при условии однородности и изотропности

(8.2)

где r – безразмерное
расстояние, k – индекс кривизны.
Индекс k принимает значения –1, 0,
+1: k =–1 – Вселенная с отрицательной
кривизной (двумерный аналог – седло или псевдосфера), k = 0 – плоская Вселенная (называемая также Вселенной Эйнштейна–де Ситтера), k
= +1 – Вселенная с положительной кривизной (аналог – сфера).

Параметр
R(t)
характеризует «размер» Вселенной для данного момента времени t. Он входит в дифференциал расстояния dl между двумя наблюдателями,
безразмерные радиальные координаты которых отличаются на dr:

при r << 1 l @
R(t)r.(8.3)

Если k = 0 и R(t)
= const, то имеем плоское евклидово простран-ство.

Относительная
скорость двух наблюдателей

(8.4)

т.е. выражается
законом Хаббла.

Движение
фотона в этой системе происходит по геодезической линии, которая определяется
уравнением ds2 = 0:

(8.5)

Если фотон излучается в отдаленной точке r_e в момент времени t_e,
то он придет к наблюдателю, находящемуся в точке r = 0, в момент t.
Момент t определяется из
уравнения геодезической

(8.6)

где – обратная
гиперболическая функция (ареа-синус). Таким
образом, момент времени t
зависит только от r_e.
Пусть наблюдаемый источник излучает монохроматическую волну и один гребень
волны излучен в момент t_e,
а следующий (через один период) – в момент t_e
+ Dt_e;
первый гребень придет в точку r = 0 в
момент t, а следующий – в
момент t + Dt.
Из уравнения геодезической

(8.7)

Если
за период волны R(t) не успеет заметно измениться, то

(8.8)

и изменение частоты фотона составит

(8.9)

Если
R(t)
растет со временем (Вселенная расширяется), то z > 0, l растет, и
наблюдается красное смещение. Таким образом, красное смещение – естественное
следствие эволюции Вселенной.

Эволюция фактора R(t)
выводится из уравнений гравитационного поля. Предполагается, что известна средняя
плотность вещества во Вселенной r.
Приведем без вывода некоторые соотношения

(8.10)

для настоящего момента времени

;(8.11)

индекс «0» означает величины, относящиеся к
настоящему моменту времени. Величина

(8.12)

называется параметром замедления. В модели Эйнштейна–де
Ситтера q= ½; для
замкнутой Вселенной q
> ½; для открытой Вселенной q
< ½. Плотность вещества в современную эпоху

(8.13)

Критическая плотность (для случая q= ½)

(8.14)

при H =
100h км/(с×Мпк).

По величине r космологические модели делятся
на открытые и закрытые. Критическое значение r_cr
~ 1.9×10–29h2 г/см3 отделяет
открытые модели (r < r_cr, q < ½) от замкнутых (r >r_cr, q > ½).
Зависимость фактора R(t) от времени в модели Эйнштейна–де
Ситтера (q= ½)

(8.15)

При q
< ½ R(t) монотонно возрастает, причем по более быстрому закону, чем t2/3. При q > ½ функция R(t)
вначале возрастает, проходит максимум, затем начинает уменьшаться – расширение
сменяется сжатием. На рис. 8.1 представлены графики зависимости масштабного фактора от времени для разных
типов космологических моделей.

Итак, основные
параметры, описывающие любую модель Вселенной – постоянная Хаббла H и параметр замедления q.

Радиоастрономия
позволяет наблюдать объекты, находящиеся на огромных расстояниях, где влияние переменности
R(t)
со временем становится существенным. Поэтому разработаны тесты, которые в
принципе могут позволить сделать выбор в пользу той или иной космологической
модели. Главный из них – подсчет числа радиоисточников в зависимости от
плотности потока N(S).

Орбитальный радиоприемник

Первые результаты, полученные космической обсерваторией WMAP
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), измерявшей мощность реликтового
излучения, были опубликованы в январе 2003 года и содержали так много
долгожданной информации, что ее осознание не завершено и сегодня.
Обычно для объяснения новых космологических данных используют физику:
уравнения состояния вещества, законы расширения и спектры начальных
возмущений. Но в этот раз характер обнаруженной угловой неоднородности
излучения потребовал совсем другого объяснения — геометрического. Более
же точно — топологического.

Основной целью WMAP было построение подробной карты температуры
реликтового излучения (или, как его еще называют, микроволнового фона).
WMAP — это сверхчувствительный радиоприемник, одновременно
регистрирующий сигналы, приходящие из двух почти диаметрально
противоположных точек неба. Обсерватория была запущена в июне 2001 года
на особо спокойную и «тихую» орбиту, находящуюся в так называемой
лагранжевой точке L2 в полутора миллионах километров от Земли. Этот
спутник весом 840 кг на самом деле находится на околосолнечной орбите,
однако благодаря совместному действию гравитационных полей Земли и
Солнца период его обращения в точности равен одному году, и он никуда
не улетает от Земли. На такую далекую орбиту спутник был запущен для
того, чтобы помехи от земной техногенной активности не мешали приему
реликтового радиоизлучения.

На основе полученных космической радиообсерваторией данных удалось с
беспрецедентной точностью определить огромное количество
космологических параметров. Во-первых, отношение полной плотности
Вселенной к критической — 1,02±0,02 (то есть наша Вселенная плоская или
замкнутая с очень малой кривизной). Во-вторых, постоянную Хаббла,
характеризующую расширение нашего Мира на больших масштабах, — 72±2
км/с/Мпк. В-третьих, возраст Вселенной — 13,4±0,3 млрд. лет и красное
смещение, соответствующее времени рекомбинации, — 1088±2 (это среднее
значение, толщина границы рекомбинации существенно больше указанной
ошибки). Наиболее сенсационным для теоретиков результатом стал угловой
спектр возмущений реликтового излучения, точнее, слишком маленькая
величина второй и третьей гармоники.

Такой спектр строится путем представления температурной карты в виде
суммы различных сферических гармоник (мультиполей). При этом из общей
картины возмущений выделяются переменные составляющие, укладывающиеся
на сфере целое число раз: квадруполь — 2 раза, октуполь — 3 раза, и так
далее. Чем выше номер сферической гармоники, тем более высокочастотные
колебания фона она описывает и тем меньше угловой размер
соответствующих «пятен». Теоретически число сферических гармоник
бесконечно, но для реальной карты наблюдений оно ограничивается тем
угловым разрешением, с которым проводились наблюдения.

Для корректного измерения всех сферических гармоник необходима карта
всей небесной сферы, и WMAP получает ее верифицированный вариант как
раз за год. Первые такие не очень подробные карты были получены в 1992
году в экспериментах «Реликт» и COBE (Cosmic Background Explorer).

Чем бублик похож на кофейную чашкуЕсть
такой раздел математики — топология, которая исследует свойства тел,
сохраняющиеся при любых их деформациях без разрывов и склеек.
Представьте себе, что интересующее нас геометрическое тело гибкое и
легко деформируется. В этом случае, например, куб или пирамиду можно
легко преобразовать в сферу или бутылку, тор («бублик») — в кофейную
чашку с ручкой, а вот превратить сферу в чашку с ручкой не удастся,
если не разрывать и не склеивать данное легко деформируемое тело. Для
того чтобы разделить сферу на два несвязанных кусочка, достаточно
провести один замкнутый разрез, а сделать то же самое с тором можно,
лишь произведя два разреза. Топологи просто обожают всякого рода
экзотические конструкции типа плоского тора, рогатой сферы или бутылки
Клейна, которые можно корректно изобразить только в пространстве с
вдвое большим числом измерений. Так и нашу трехмерную Вселенную,
замкнутую саму на себя, можно себе легко представить, только живя в
шестимерном пространстве. На время космические топологи пока не
покушаются, оставляя ему возможность просто линейно течь, ни на что не
замыкаясь. Так что умения работать в пространстве семи измерений
сегодня вполне достаточно для понимания того, как сложно устроена наша
додекаэдрическая Вселенная.

Итоговая карта температуры реликтового излучения строится
на основе кропотливого анализа карт, отображающих интенсивность
радиоизлучения в пяти различных частотных диапазонах

Интересные факты, связанные с исследованием реликтового излучения

Максимальная частота реликтового излучения была зарегистрирована в 160,4 ГГц, что равно 1,9 мм волне. А плотность такого излучения составляет 400-500 фотонов на см3. Реликтовое излучение – это самое старое, самое древнее излучение, которое можно наблюдать вообще во вселенной. Каждая частица пролетела 400 000 лет, чтобы достигнуть Земли. Не километров, а лет! По данным наблюдений спутника и математическим расчетам реликтовое излучение как бы стоит на месте, а все галактики и созвездия движутся относительно него с огромной скоростью, порядка сотни километров в секунду. Это как наблюдать в окно движущегося поезда. Температура реликтового излучения в направлении созвездия Льва на 0,1% выше, а в противоположном направлении на 0,1% ниже. Это объясняет движение Солнца в сторону данного созвездия относительно реликтового фона.

Что дает нам изучение реликтового излучения?

Ранняя Вселенная была холодной, очень холодной. Почему Вселенная была такой холодной, и что случилось, когда началось расширение вселенной? Можно предположить, что из-за большого взрыва случился выброс огромного количества сгустков энергии за пределы вселенной, затем Вселенная остыла, почти замерзла, но со временем энергия начала собираться в сгустки снова, и возникла некая реакция, которая и запустила процесс расширения вселенной. Тогда откуда взялась темная материя и взаимодействует ли она с реликтовым излучением? Возможно реликтовое излучение – это результат разложения темной материи, что более логично, чем остаточное излучение большого взрыва. Поскольку темная энергия может являться антиматерией и частицы темной материи, сталкиваясь с частицами материи, образуют в материальном и антиматериальном мире излучение подобно реликтовому. На сегодняшний день это самая свежая, неизученная область науки, в которой можно достичь успехов и запечатлиться в истории науки и общества.

Большой взрыв

Согласно общепринятой теории происхождения Вселенной, в течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва наша Вселенная была заполнена невероятно горячей плазмой, состоящей из ядер, электронов и фотонов, которые рассеивали свет.

Примерно к 380 000 годам продолжающееся расширение нашей Вселенной привело к ее охлаждению до температуры ниже 3000 градусов Кельвина, что позволило электронам объединяться с ядрами с образованием нейтральных атомов, а поглощение свободных электронов позволило свету освещать темноту.

Доказательством этого – в виде ранее упомянутого реликтового излучения – является то, что обнаружили Пензиас и Уилсон. Их открытие, в конечном итоге, помогло установлению теории Большого Взрыва.

У Вселенной, как мы знаем сегодня, было начало.

На протяжении многих эпох продолжающееся расширение охлаждало нашу Вселенную до температуры всего около 2,7К, но эта температура неравномерна. Различия в температуре возникают из-за того, что материя неравномерно распределена по всей Вселенной. Считается, что это вызвано крошечными флуктуациями квантовой плотности, которые произошли сразу после Большого взрыва.

В 2017 году, исследователи из Даремского университета Великобритании опубликовали работу, результаты которой предполагают, что «отпечатки» в реликтовом излучении (так называемые холодные пятна) могут быть свидетельством существования других миров. Авторы предположили, что пятна в микроволновом фоновом излучении появились в результате столкновения между нашей вселенной и другой.

Какими свойствами обладает реликтовое излучение?

Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE

Спектр реликтового излучения равен 2,75 Кельвина, что аналогично саже охлажденной до такой температуры. Такое вещество всегда поглощает падающее на него излучение (свет), как бы вы на него не воздействовали. Хоть в магнитную катушку засовывайте, хоть ядерную бомбу кидайте, хоть прожектором светите. Такое тело тоже испускает малое излучение. Но это лишь доказывает тот факт, что нет ничего абсолютного. Всегда можно бесконечно долго выводить идеальный закон, добиваться максимума определенного свойства чего-либо, но всегда останется малая доля инерции.

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.

Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Что было до появления Вселенной

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».

В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.

Теория Мультивселенной

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.

Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Теория белых и черных дыр

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Большой скачок

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.

Теория циклической Вселенной

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

Теория Мультивселенной: Критика и выводы

В завершении следует сказать, что когда кто-то говорит о теории мультивселенной, это может звучать и дерзко и смиренно одновременно. Но у многих физиков совершенно иная реакция: по их мнению, идея мультивселенной ненаучна и, возможно, даже «опасна» тем, что может привести к неверно направленным научным усилиям.

я наука пока не может ни доказать, ни опровергнуть существование Мультивселенной.

Так или иначе, несмотря на критику теории множественности миров, данные научных исследований (о некоторых из которых рассказано в этой статье) позволяют выдвигать даже такие, кажущиеся на первый взгляд, безумными теории. В конце концов, возвращаясь к аналогии с муравейником, что мы знаем о мире, в котором живем? А как вы думаете, существует ли Мультивселенная или усилия физиков направлены не в то русло?

Критика и выводы

Сегодня современная наука пока не может ни доказать, ни опровергнуть существование Мультивселенной.