Физические характеристики и происхождение реликтового излучения
Реликтовое излучение, или космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ), представляет собой электромагнитное излучение, пришедшее к нам из ранних эпох эволюции Вселенной, а точнее — из эпохи рекомбинации, когда температура космоса упала до значений порядка 3000 К, и электроны стали рекомбинировать с протонами, образуя нейтральные атомы водорода. Это событие произошло приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва. С этого момента излучение стало свободно распространяться по пространству, практически не взаимодействуя с веществом, и достигло нас в сильно красном смещении, соответствующем температуре около 2,725 К.
Формирование излучения в эпоху рекомбинации
До эпохи рекомбинации Вселенная представляла собой плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. В этом состоянии фотоны постоянно рассеивались на электронах (комптоновское и томсоновское рассеяние), и излучение не могло свободно распространяться. Однако по мере расширения и охлаждения Вселенной энергия теплового движения уменьшалась, и при температуре ~0,3 эВ началась рекомбинация. Электроны стали соединяться с протонами, образуя нейтральный водород. Это привело к резкому снижению коэффициента рассеяния фотонов на свободных электронах, и излучение вышло из равновесного взаимодействия с веществом.
Таким образом, реликтовое излучение является «снимком» состояния Вселенной на момент отделения излучения от вещества. Именно поэтому его спектр и анизотропии несут информацию о физических параметрах ранней Вселенной.
Спектральные характеристики и изотропность
Спектр реликтового излучения чрезвычайно близок к спектру абсолютно чёрного тела. В 1992 году спутник COBE (Cosmic Background Explorer) с высокой точностью измерил его форму и подтвердил, что спектр реликтового излучения описывается планковской функцией с температурой 2,725 ± 0,001 К. Это означает, что излучение действительно произошло в условиях, близких к идеальному термодинамическому равновесию, что является важнейшим подтверждением теории горячей Вселенной.
Изотропность реликтового излучения также крайне высока: флуктуации температуры в различных направлениях составляют порядка ΔT/T ~ 10⁻⁵. Однако эти малые отклонения несут критически важную информацию о начальных неоднородностях плотности, которые со временем привели к образованию галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.
Анизотропии и их космологическое значение
Анизотропии реликтового излучения впервые были точно зафиксированы спутником COBE, а затем более подробно исследованы спутниками WMAP и Planck. На шкалах порядка одного углового градуса наблюдаются характерные гармонические колебания — акустические пики, обусловленные звуковыми волнами в барион-фотонной плазме до момента рекомбинации. Положение, высота и форма этих пиков чувствительны к важнейшим космологическим параметрам: плотности барионов, тёмной материи, кривизне пространства, скорости расширения и т.д.
Первые пики в спектре мощности температурных флуктуаций соответствуют стоячим волнам, образовавшимся к моменту рекомбинации. Их наблюдение дало возможность точно определить отношение плотности барионов к фотонам, что критично для моделей нуклеосинтеза и эволюции структуры.
Поляризация реликтового излучения
Кроме температурных анизотропий, реликтовое излучение обладает слабой, но измеримой степенью поляризации, возникающей вследствие квадрупольных флуктуаций плотности и рассеяния на электронах. Поляризация позволяет отделить скалярные, векторные и тензорные компоненты возмущений. В частности, обнаружение так называемой B-моды поляризации может служить свидетельством наличия первичных гравитационных волн, порождённых инфляцией.
Измерение поляризации было выполнено, в частности, спутником Planck и наземными обсерваториями BICEP и POLARBEAR. Это направление является важнейшим для проверки инфляционных моделей и квантовой гравитации.
Дипольная компонента и движение Солнечной системы
Наиболее заметной анизотропией реликтового излучения является дипольная составляющая, имеющая амплитуду около 3,36 мК. Она объясняется доплеровским смещением, вызванным движением Солнечной системы относительно системы отсчёта, связанной с реликтовым излучением. Скорость этого движения составляет около 370 км/с. Учет этой компоненты необходим при изучении более слабых, космологически значимых флуктуаций.
Космологические параметры и точность измерений
Современная космология опирается на данные о реликтовом излучении для определения ключевых параметров ΛCDM-модели, включая:
Миссия Planck предоставила их с поразительной точностью, что позволило сузить пространство допустимых моделей и подтвердить плоскую геометрию Вселенной, совместимую с инфляционной парадигмой.
Зависимость от инфляционных и постинфляционных процессов
Состояние реликтового излучения является важным следствием инфляционного расширения. Механизм инфляции, вызвавший экспоненциальное расширение Вселенной в первые 10⁻³⁵ секунд, предсказал существование почти масштабно-инвариантного спектра флуктуаций, что подтверждено наблюдаемыми анизотропиями КМФИ. Кроме того, инфляция предсказывает наличие тензорных возмущений (гравитационных волн), детекция которых остаётся одной из главных задач современной экспериментальной космологии.
Реликтовое излучение как стандартная линейка
Акустические осцилляции в барион-фотонной плазме до рекомбинации задают характерную шкалу (~150 Мпк), называемую барионными акустическими осцилляциями (BAO). Эти осцилляции наблюдаются также в распределении галактик и используются как «стандартная линейка» для измерения расстояний в космологии. Таким образом, реликтовое излучение позволяет калибровать другие методы измерения космологических параметров.
Перспективы исследований и новые миссии
Несмотря на выдающийся успех миссий COBE, WMAP и Planck, остаются нерешённые задачи: обнаружение следов первичных гравитационных волн, улучшение разрешения флуктуаций, изучение вторичных эффектов, таких как эффект Сакс-Вольфа, тепловой и кинематический эффекты Зельдовича–Суньева, вызванные взаимодействием фотонов с горячим газом в скоплениях галактик. Новые миссии, такие как LiteBIRD и CMB-S4, нацелены на измерение B-моды поляризации и дальнейшее уточнение инфляционных моделей.
Связь с тёмной энергией и повторной ионизацией
Реликтовое излучение фиксирует состояние Вселенной на очень ранней стадии, но также содержит информацию о более поздних этапах. Повторная ионизация, вызванная формированием первых звёзд и галактик, оставила след в виде подавления флуктуаций на малых масштабах. Кроме того, данные о КМФИ используются для оценки влияния тёмной энергии на рост структуры и темпы расширения.
Реликтовое излучение как ключ к ранней Вселенной
Таким образом, реликтовое излучение играет фундаментальную роль в теоретической физике: оно служит уникальным источником информации о начальных условиях, параметрах и эволюции Вселенной. Его наблюдение позволяет проверить космологические модели с высокой точностью и остаётся основой для дальнейшего продвижения как в теоретических, так и в экспериментальных аспектах физики.