Микроволновое фоновое излучение

Микроволновое фоновое излучение, часто обозначаемое как CMB (Cosmic Microwave Background), представляет собой почти изотропное реликтовое излучение, которое заполняет всю Вселенную. Оно является ключевым доказательством теории горячей Вселенной и служит фундаментальным источником информации о ранней стадии космологической эволюции.

Фоновое излучение возникло приблизительно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, в момент рекомбинации, когда температура Вселенной снизилась до примерно 3000 K, и электроны объединились с протонами, образовав нейтральные атомы водорода. До этого момента фотонная среда была непрозрачной, а после рекомбинации фотоны свободно распространились, формируя наблюдаемое сегодня микроволновое фоновое излучение.

Спектр излучения

Фоновое излучение характеризуется практически идеальным спектром черного тела с температурой около 2.725 K. Спектральная плотность энергии u(ν) определяется законом Планка:

$$ u(\nu) = \frac{8 \pi h \nu^3}{c^3} \frac{1}{e^{h \nu / k_B T} - 1} $$

где:

• h — постоянная Планка,
• ν — частота излучения,
• c — скорость света,
• k_B — постоянная Больцмана,
• T — температура излучения.

Основная часть энергии приходится на микроволновый диапазон, с максимумом интенсивности около 160 ГГц, что соответствует длине волны примерно 1.9 мм.

Анизотропия и флуктуации

Несмотря на высокую степень изотропности, измерения с помощью спутников COBE, WMAP и Planck выявили малые температурные флуктуации ΔT/T ∼ 10⁻⁵, отражающие плотностные неоднородности ранней Вселенной. Эти анизотропии являются предвестниками формирования крупномасштабной структуры — галактик и скоплений.

Флуктуации распределяются по угловым масштабам, и их анализ через спектр мощности позволяет установить основные космологические параметры:

• плотность вещества Ω_m,
• плотность темной энергии Ω_Λ,
• угол наклона спектра начальных возмущений n_s,
• величину гравитационных потенциалов на ранних стадиях.

Поляризация фонового излучения

Фоновое излучение обладает слабой, но измеримой поляризацией, которая делится на E- и B-моды.

• E-моды возникают в результате рассеяния фотонов на свободных электронах в неоднородной плотности.
• B-моды могут быть вызваны либо гравитационными волнами, либо слабой линзировкой E-модов.

Измерение поляризации важно для понимания процессов инфляции и природы первичных флуктуаций.

Классические эффекты и взаимодействие с материей

Фоновое излучение подвержено ряду релятивистских эффектов:

• Эффект Доплера: движение наблюдателя относительно излучения вызывает дипольную анизотропию.
• Эффект Сюняева–Зельдовича: взаимодействие CMB с горячим межгалактическим газом в скоплениях искажает спектр, создавая вторичные анизотропии.
• Гравитационное линзирование: искривление траекторий фотонов в гравитационных полях крупных структур искажает карту анизотропий.

Космологическая значимость

Микроволновое фоновое излучение служит уникальным инструментом для проверки теорий космологии:

• оно подтверждает горячую модель Вселенной;
• позволяет точно определять параметры космологической модели ΛCDM;
• служит окном в эпоху рекомбинации и первичных флуктуаций;
• дает сведения о темной материи и темной энергии, так как их плотность влияет на анизотропию и эволюцию излучения.

Изучение микроволнового фонового излучения требует синтеза релятивистской физики, квантовой статистики и астрофизических методов наблюдения, что делает его ключевой темой в современной космологии.