Физика реликтового излучения
Реликтовое излучение (космическое микроволновое фоновое излучение, КМФИ) является электромагнитным эхом ранней Вселенной и представляет собой один из наиболее мощных аргументов в пользу горячей модели Большого взрыва. Его происхождение связано с эпохой рекомбинации — переходным моментом в истории Вселенной, когда она охладилась до температуры порядка ~3000 К, что позволило протонам и электронам рекомбинировать в нейтральные атомы водорода.
До рекомбинации вещество и излучение были плотно связаны благодаря рассеянию фотонов на свободных электронах (Томсоновское рассеяние), что делало Вселенную непрозрачной. Как только количество свободных электронов резко уменьшилось, фотоны начали свободно распространяться — этот момент называется поверхностью последнего рассеяния. Именно излучение от этой поверхности мы наблюдаем сегодня в виде реликтового фона, растянутого в длину волны из-за космологического расширения.
Реликтовое излучение обладает практически идеальным спектром абсолютно чёрного тела. Измерения, произведённые спутником COBE (Cosmic Background Explorer), показали, что спектр реликтового излучения соответствует температуре 2.725 К с очень высокой точностью. Это соответствует максимуму спектра в микроволновом диапазоне — примерно 160 ГГц (длина волны около 1.9 мм).
Погрешности от идеального спектра Планка чрезвычайно малы (на уровне 10⁻⁵), что указывает на то, что излучение действительно прошло термодинамическое равновесие в ранней Вселенной.
Изначально считалось, что реликтовое излучение абсолютно изотропно. Однако более точные наблюдения, начиная с COBE и особенно с миссий WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и Planck, выявили мельчайшие температурные флуктуации — анизотропии на уровне ΔT/T ≈ 10⁻⁵.
Эти флуктуации отражают плотностные возмущения в ранней Вселенной, которые впоследствии стали семенами для образования крупномасштабных структур — галактик, скоплений и сверхскоплений. Анализ этих анизотропий позволяет восстановить спектр начальных квантовых флуктуаций, данные о кривизне пространства, составе Вселенной и другие ключевые параметры космологической модели.
Анизотропии реликтового излучения описываются с использованием сферических гармоник. Температурные флуктуации разлагаются в ряд по этим функциям:
$$ \frac{\Delta T}{T}(\theta, \phi) = \sum_{\ell=0}^{\infty} \sum_{m=-\ell}^{\ell} a_{\ell m} Y_{\ell m}(\theta, \phi) $$
Статистическая характеристика распределения флуктуаций сводится к вычислению углового спектра мощности:
Cℓ = ⟨|aℓm|2⟩
Спектр Cℓ отражает амплитуду флуктуаций на угловых масштабах ~180°/ℓ. Основной пик спектра (первый акустический пик) наблюдается при ℓ ≈ 220, что соответствует угловому масштабу ~1°.
Перед рекомбинацией барионно-фотонная плазма подвергалась колебаниям из-за гравитационного сжатия и давления излучения. Эти акустические осцилляции отпечатались в распределении температурных флуктуаций реликтового излучения.
Основной пик соответствует моде, достигшей сжатия на момент рекомбинации. Второй пик — разрежению, третий — следующему сжатию, и так далее. Высота и положение этих пиков зависят от содержания вещества (барионного и тёмного), кривизны пространства, постоянной Хаббла и других параметров.
Фотонное рассеяние на электронах в присутствии квадрупольных анизотропий приводит к линейной поляризации реликтового излучения. Поляризационные карты разбиваются на два компонента:
Обнаружение B-мод является потенциальным подтверждением инфляционных гравитационных волн, предсказанных космологической инфляцией.
Реликтовое излучение — мощнейший источник информации о ранней Вселенной и её эволюции. Его измерения позволяют с высокой точностью определить:
Современная ΛCDM-модель во многом базируется на наблюдениях реликтового излучения и их согласованности с другими космологическими данными (например, с крупномасштабной структурой и наблюдаемыми сверхновыми Ia типа).
Основные вехи в наблюдении реликтового излучения:
Будущие миссии (например, LiteBIRD и CMB-S4) ориентированы на детектирование B-мод и уточнение параметров инфляции.
Реликтовое излучение тесно связано с гравитационной физикой. Его флуктуации отражают гравитационные потенциальные ямы и холмы, в которых происходили осцилляции барионно-фотонной плазмы. Гравитационные линзы и эффект Сакса-Вольфа искажали и дополняли распределение температурных пятен.
Кроме того, тензорные моды возмущений, потенциально присутствующие в поляризации КМФИ, являются гравитационными волнами ранней Вселенной. Таким образом, реликтовое излучение служит окном в гравитационные процессы, происходившие на самых ранних стадиях космологической эволюции.