Реликтовое излучение

Физическая природа реликтового излучения

Реликтовое излучение (космическое микроволновое фоновое излучение, КМФИ) представляет собой электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи рекомбинации во Вселенной, когда температура снизилась настолько, что протоны и электроны объединились в нейтральные атомы водорода. В этот момент фотоны, ранее многократно рассеянные на заряженных частицах, стали свободно распространяться в пространстве. Таким образом, реликтовое излучение — это «свет последнего рассеяния», несущий информацию о раннем состоянии Вселенной.

Это излучение сегодня наблюдается в микроволновом диапазоне с характерной температурой около 2,725 К. Его спектр с высокой точностью соответствует спектру абсолютно чёрного тела, что подтверждает его термальное происхождение. Наблюдение и анализ реликтового излучения дали ключ к пониманию структуры, состава и истории Вселенной.

Космологические параметры, определяемые по реликтовому излучению

Реликтовое излучение является основным источником информации о параметрах космологической модели:

Кривизна пространства. Измерения углового размера флуктуаций в КМФИ позволяют определить геометрию Вселенной. Например, угловая шкала первого акустического пика соответствует плоскому пространству в рамках стандартной ΛCDM-модели.
Плотности материи и энергии. Амплитуды и положения пиков в спектре мощности анизотропии КМФИ зависят от плотностей барионной материи, тёмной материи и тёмной энергии.
Темп расширения Вселенной. КМФИ позволяет установить значение постоянной Хаббла в ранней Вселенной, что критически важно для согласования с независимыми измерениями на низких красных смещениях.

Анизотропия реликтового излучения

КМФИ не является совершенно однородным: наблюдаются небольшие флуктуации температуры порядка 10⁻⁵ от среднего значения. Эти флуктуации возникают вследствие квантовых возмущений плотности, растянутых инфляцией до космологических масштабов.

Анизотропия подразделяется на:

Температурные флуктуации — варьируются по углу на небе, формируя характерный спектр.
Поляризация — линейная поляризация, возникающая при комптоновском рассеянии в условиях анизотропного излучения. Позволяет отделить скалярные (плотностные) и тензорные (гравитационные) моды.

Спектр мощности и акустические пики

Флуктуации плотности в первичной плазме порождали акустические волны в барион-фотонной жидкости. Эти волны формируют осцилляции в спектре мощности КМФИ. Спектр характеризуется множественными пиками, соответствующими различным гармоникам звуковых колебаний в до-рекомбинационной Вселенной.

Первый пик соответствует масштабам, на которых волна совершила половину периода к моменту рекомбинации, второй пик — полный период и т.д. Высоты пиков чувствительны к соотношению барионной и тёмной материи, а также к кривизне пространства.

Инструментальные наблюдения и карты КМФИ

Современная космология в значительной степени опирается на наблюдения реликтового излучения, полученные с помощью космических обсерваторий:

COBE (1989–1993) — впервые измерил спектр КМФИ и обнаружил анизотропию на уровне нескольких десятков микрокельвинов.
WMAP (2001–2010) — предоставил подробную карту анизотропии на больших и средних угловых масштабах.
Planck (2009–2013) — достиг беспрецедентной точности в измерениях температурных и поляризационных флуктуаций, построив спектр мощности до высокой кратности ℓ ~ 2500.

Наблюдения Planck подтвердили ΛCDM-модель как стандартную космологическую парадигму.

Поляризация: E- и B-моды

Поляризация реликтового излучения разбивается на:

E-моды — порождаются скалярными возмущениями (плотностными); они были впервые обнаружены WMAP и подробно изучены Planck.
B-моды — могут быть вызваны гравитационными волнами инфляционного происхождения или гравитационным линзированием. Поиск первичных B-мод — ключевая задача современной космологии, так как их обнаружение даст прямое свидетельство инфляции.

Вторичные анизотропии и взаимодействия с крупномасштабной структурой

После рекомбинации реликтовое излучение подвергается вторичным модификациям:

Эффект Сюняева–Зельдовича — рассеяние фотонов на горячем электронном газе в скоплениях галактик, ведущее к искажению спектра КМФИ. Используется для обнаружения скоплений на больших красных смещениях.
Эффект Риса–Сивера — изменение температуры фотонов при прохождении через гравитационные потенциалы, эволюционирующие во времени. Даёт вклад в крупномасштабную анизотропию.
Гравитационное линзирование — искажение траекторий фотонов под действием гравитационного поля. Приводит к дополнительным искажениям в температурной и поляризационной карте.

Космологическая инфляция и реликтовое излучение

КМФИ — важнейшее подтверждение теории инфляции. Эта гипотеза предполагает фазу экспоненциального расширения Вселенной в первые моменты её существования. Растянутые инфляцией квантовые флуктуации порождают анизотропии, наблюдаемые сегодня в КМФИ.

Ключевые предсказания инфляции:

Плоскость Вселенной (Ω_total ≈ 1)
Почти scale-invariant спектр флуктуаций (n_s ≈ 0.96)
Гауссовость и отсутствие корреляции между различными масштабами
Потенциальное наличие тензорных мод (B-моды)

Все эти параметры подтверждаются анализом карт реликтового излучения.

Реликтовое излучение как фундаментальный инструмент наблюдательной космологии

Анализ КМФИ позволяет реконструировать параметры ΛCDM-модели с поразительной точностью:

Температура КМФИ: T ≈ 2.725 К
Возраст Вселенной: ≈ 13.8 млрд лет
Плотность барионов: Ω_b ≈ 0.049
Плотность тёмной материи: Ω_c ≈ 0.26
Плотность тёмной энергии: Ω_Λ ≈ 0.69
Постоянная Хаббла: H₀ ≈ 67.4 км/с/Мпк (по данным Planck)

Сравнение этих параметров с независимыми методами (наблюдения сверхновых, линзирование, большие обзоры галактик) даёт возможность проверить внутреннюю согласованность космологической модели и выявить потенциальные расхождения.

Направления текущих исследований

Современные исследования сосредоточены на:

Высокоточной поляриметрии КМФИ (например, проекты LiteBIRD, CMB-S4)
Поиске тензорных мод и инфляционных следов
Исследовании нейтрино через влияние на спектр мощности
Тестировании аномалий крупномасштабной анизотропии (ось предпочтительности, холодное пятно и др.)
Применении данных КМФИ к анализу крупномасштабной структуры и формирования галактик

Таким образом, реликтовое излучение является не просто свидетельством горячего начала Вселенной, но и глубочайшим инструментом для понимания её природы, эволюции и устройства.