Rrezatimi CMB
Rrezatimi i sfondit mikrovalor ekstragalaktik ndodh në rangun e frekuencës nga 500 MHz në 500 GHz, që korrespondon me gjatësi vale nga 60 cm në 0,6 mm. Ky rrezatim i sfondit mbart informacion në lidhje me proceset që ndodhën në Univers përpara formimit të galaktikave, kuazareve dhe objekteve të tjera. Ky rrezatim, i quajtur relike, u zbulua në vitin 1965, megjithëse u parashikua në vitet 40 nga Georgy Gamow dhe u studiua nga astronomët për dekada.
Në Universin në zgjerim, dendësia mesatare e materies varet nga koha - në të kaluarën ishte më e madhe. Megjithatë, me zgjerimin, jo vetëm dendësia ndryshon, por edhe energji termale materie, që do të thotë se në një fazë të hershme të zgjerimit, Universi ishte jo vetëm i dendur, por edhe i nxehtë. Si pasojë, në kohën tonë duhet të vërehet rrezatimi i mbetur, spektri i të cilit është i njëjtë me spektrin e një trupi absolutisht të ngurtë dhe ky rrezatim duhet të jetë në shkallën më të lartë në mënyrë izotropike. Në vitin 1964, A.A. Penzias dhe R. Wilson, duke testuar një antenë radio sensitive, zbuluan një rrezatim mikrovalor të sfondit shumë të dobët, të cilin ata nuk mund ta largonin në asnjë mënyrë. Temperatura e tij doli të jetë 2.73 K, që është afër vlerës së parashikuar. U tregua nga eksperimentet mbi studimet e izotropisë se burimi i rrezatimit të sfondit të mikrovalës nuk mund të gjendet brenda galaktikës, pasi atëherë do të duhej të vëzhgohej një përqendrim i rrezatimit drejt qendrës së Galaxy. Burimi i rrezatimit nuk mund të ishte gjithashtu brenda sistemit diellor. do të vërehej një ndryshim ditor në intensitetin e rrezatimit. Për shkak të kësaj, u nxorr një përfundim në lidhje me natyrën ekstragalaktike të këtij rrezatimi të sfondit. Kështu, hipoteza e një universi të nxehtë mori një bazë vëzhgimi.
Për të kuptuar natyrën e CMB, është e nevojshme t'i drejtohemi proceseve që ndodhën në fazat e hershme të zgjerimit të Universit. Le të shqyrtojmë se si ndryshuan kushtet fizike në Univers gjatë procesit të zgjerimit.
Tani çdo centimetër kub i hapësirës përmban rreth 500 fotone të sfondit të mikrovalës kozmike, dhe ka shumë më pak substancë në këtë vëllim. Meqenëse raporti i numrit të fotoneve me numrin e barioneve në procesin e zgjerimit është ruajtur, por energjia e fotoneve gjatë zgjerimit të Universit zvogëlohet me kalimin e kohës për shkak të zhvendosjes së kuqe, mund të konkludojmë se në një kohë në në të kaluarën dendësia e energjisë e rrezatimit ishte më e madhe se dendësia e energjisë e grimcave të materies. Kjo kohë quhet faza e rrezatimit në evolucionin e Universit. Faza e rrezatimit karakterizohej nga barazia e temperaturës së materies dhe rrezatimit. Në ato ditë, rrezatimi përcaktoi plotësisht natyrën e zgjerimit të universit. Përafërsisht një milion vjet pas fillimit të zgjerimit të Universit, temperatura ra në disa mijëra gradë dhe ndodhi rikombinimi i elektroneve, të cilat më parë ishin grimca të lira, me protonet dhe bërthamat e heliumit, d.m.th. formimi i atomeve. Universi është bërë transparent ndaj rrezatimit, dhe është ky rrezatim që ne tani kapim dhe e quajmë relikt. Vërtetë, që nga ajo kohë, për shkak të zgjerimit të Universit, fotonet e kanë zvogëluar energjinë e tyre me rreth 100 herë. Në mënyrë figurative, kuantet e rrezatimit relikt "ngulitën" epokën e rikombinimit dhe mbartin informacione të drejtpërdrejta për të kaluarën e largët.
Pas rikombinimit, lënda për herë të parë filloi të evoluojë në mënyrë të pavarur, pavarësisht nga rrezatimi, dhe në të filluan të shfaqen densifikimi - embrionet e galaktikave të ardhshme dhe grupimet e tyre. Kjo është arsyeja pse eksperimentet në studimin e vetive të rrezatimit relikt - spektri i tij dhe luhatjet hapësinore - janë kaq të rëndësishme për shkencëtarët. Përpjekjet e tyre nuk ishin të kota: në fillim të viteve '90. Eksperimenti hapësinor rus "Relikt-2" dhe ai amerikan "Kobe" zbuluan ndryshime në temperaturën e rrezatimit relikt të pjesëve fqinje të qiellit, dhe devijimi nga temperatura mesatare është vetëm rreth një e mijëta e përqindjes. Këto ndryshime të temperaturës përmbajnë informacion në lidhje me devijimin e densitetit të lëndës nga vlera mesatare gjatë epokës së rikombinimit. Pas rikombinimit, lënda në Univers u shpërnda pothuajse në mënyrë të barabartë, dhe aty ku dendësia ishte të paktën pak mbi mesataren, tërheqja ishte më e fortë. Ishin variacionet e densitetit që më pas çuan në formimin e strukturave në shkallë të gjerë të vëzhguara në Univers, grupimeve galaktikash dhe galaktikave individuale. Sipas koncepteve moderne, galaktikat e para duhet të ishin formuar në një epokë që korrespondon me zhvendosjet e kuqe nga 4 në 8.
A ka ndonjë shans për të parë edhe më tej në epokën para rikombinimit? Deri në momentin e rikombinimit, ishte presioni i rrezatimit elektromagnetik që krijoi kryesisht fushën gravitacionale, e cila ngadalësoi zgjerimin e Universit. Në këtë fazë, temperatura ndryshonte në përpjesëtim të zhdrejtë me rrënjën katrore të kohës që ka kaluar që nga fillimi i zgjerimit. Konsideroni faza të ndryshme të zgjerimit në mënyrë të njëpasnjëshme universi i hershëm.
Në një temperaturë prej përafërsisht 1013 Kelvin, çifte grimcash dhe antigrimcash të ndryshme lindën dhe u asgjësuan në univers: protonet, neutronet, mesonet, elektronet, neutrinot, etj. Kur temperatura ra në 5 * 1012 K, pothuajse të gjithë protonet dhe neutronet u asgjësuan. , duke u kthyer në kuantë rrezatimi; mbetën vetëm ato për të cilat nuk kishte antigrimca "të pamjaftueshme". Është nga këto protone dhe neutrone "të tepërta" që kryesisht përbëhet substanca e Universit modern të vëzhgueshëm.
Në T= 2*1010 K neutrinot gjithëpërfshirëse pushuan së bashkëvepruari me materien - që nga ai moment duhej të kishte mbetur "sfondi relikt i neutrinos", i cili mund të zbulohet gjatë eksperimenteve të ardhshme të neutrinos.
Gjithçka që sapo u tha u zhvillua nën super temperaturat e larta në sekondën e parë pas fillimit të zgjerimit të universit. Pak sekonda pas momentit të "lindjes" së Universit, filloi epoka e nukleosintezës parësore, kur u formuan bërthamat e deuteriumit, heliumit, litiumit dhe beriliumit. Ai zgjati afërsisht tre minuta, dhe rezultati kryesor i tij ishte formimi i bërthamave të heliumit (25% e masës së të gjithë materies së Universit). Elementët e mbetur, më të rëndë se heliumi, përbënin një pjesë të papërfillshme të substancës - rreth 0.01%.
Pas epokës së nukleosintezës dhe para epokës së rikombinimit (rreth 106 vjet), pati një zgjerim dhe ftohje të qetë të Universit, dhe më pas - qindra miliona vjet pas fillimit - u shfaqën galaktikat dhe yjet e para.
Në dekadat e fundit, zhvillimi i kozmologjisë dhe fizikës elementare të grimcave ka bërë të mundur që teorikisht të merret në konsideratë periudha fillestare, "e papritur" e zgjerimit të Universit. Rezulton se në fillimin e zgjerimit, kur temperatura ishte tepër e lartë (më shumë se 1028 K), Universi mund të ishte në një gjendje të veçantë në të cilën u zgjerua me nxitim, dhe energjia për njësi vëllimi mbeti konstante. Kjo fazë e zgjerimit u quajt inflacioniste. Një gjendje e tillë e materies është e mundur nën një kusht - presion negativ. Faza e zgjerimit ultra të shpejtë inflacioniste mbuloi një periudhë të vogël kohore: ajo përfundoi në kohën rreth 10-36 s. Besohet se "lindja" e vërtetë e grimcave elementare të materies në formën në të cilën ne i njohim tani ndodhi menjëherë pas përfundimit të fazës inflacioniste dhe u shkaktua nga kolapsi i fushës hipotetike. Pas kësaj, zgjerimi i universit vazhdoi me inerci.
Hipoteza e universit inflacioniste i përgjigjet një numri të çështje të rëndësishme kozmologjia, të cilat deri vonë konsideroheshin paradokse të pashpjegueshme, veçanërisht për çështjen e shkakut të zgjerimit të universit. Nëse në historinë e tij Universi me të vërtetë kaloi një epokë kur kishte një presion të madh negativ, atëherë graviteti në mënyrë të pashmangshme do të kishte shkaktuar jo tërheqje, por zmbrapsje të ndërsjellë të grimcave materiale. Dhe kjo do të thotë se Universi filloi të zgjerohej me shpejtësi, në mënyrë shpërthyese. Natyrisht, modeli i Universit inflacionist është vetëm një hipotezë: edhe një verifikim indirekt i pozicioneve të tij kërkon instrumente të tilla, të cilat thjesht nuk janë krijuar ende aktualisht. Sidoqoftë, ideja e zgjerimit të përshpejtuar të Universit në fazën më të hershme të evolucionit të tij është vendosur fort në kozmologjinë moderne.
Duke folur për universin e hershëm, ne transportohemi befas nga shkallët më të mëdha kozmike në rajonin e mikrokozmosit, i cili përshkruhet nga ligjet Mekanika kuantike. Fizika e grimcave elementare dhe energjive të larta është e ndërthurur ngushtë në kozmologji me fizikën e sistemeve gjigante astronomike. Më e madhja dhe më e vogla bashkohen këtu me njëra-tjetrën. Kjo është ajo që përbëhet Bukuri e mahnitshme bota jonë, plot ndërlidhje të papritura dhe unitet të thellë.
Manifestimet e jetës në Tokë janë jashtëzakonisht të ndryshme. Jeta në Tokë përfaqësohet nga qenie bërthamore dhe parabërthamore, njëqelizore dhe shumëqelizore; shumëqelizore, nga ana tjetër, përfaqësohen nga kërpudhat, bimët dhe kafshët. Secila prej këtyre mbretërive bashkon lloje, klasa, rende, familje, gjini, specie, popullata dhe individë të ndryshëm.
Në të gjithë larminë në dukje të pafundme të gjallesave, mund të dallohen disa nivele të ndryshme të organizimit të gjallesave: molekulare, qelizore, indore, organike, ontogjenetike, popullata, specie, biogjeocenotike, biosferike. Nivelet e listuara theksohen për lehtësi studimi. Nëse përpiqemi të identifikojmë nivelet kryesore, duke reflektuar jo aq nivelet e studimit sa nivelet e organizimit të jetës në Tokë, atëherë kriteret kryesore për një përzgjedhje të tillë duhet të njihen si prania e strukturave specifike elementare, diskrete dhe fenomeneve elementare. . Me këtë qasje, rezulton të jetë e nevojshme dhe e mjaftueshme të veçohen nivelet molekulare-gjenetike, ontogjenetike, popullata-specie dhe biogjeocenotike (N.V. Timofeev-Resovsky dhe të tjerët).
Niveli gjenetik molekular. Në studimin e këtij niveli, me sa duket, qartësia më e madhe është arritur në përcaktimin e koncepteve bazë, si dhe në identifikimin e strukturave dhe dukurive elementare. Zhvillimi i teorisë kromozomale të trashëgimisë, analiza e procesit mutacional dhe studimi i strukturës së kromozomeve, fagëve dhe viruseve zbuluan tiparet kryesore të organizimit të strukturave elementare gjenetike dhe fenomeneve që lidhen me to. Dihet se strukturat kryesore në këtë nivel (kodet e informacionit trashëgues të transmetuar brez pas brezi) janë ADN-ja, e diferencuar në gjatësi në elemente kodike - treshe bazash azotike që formojnë gjenet.
Gjenet në këtë nivel të organizimit të jetës përfaqësojnë njësi elementare. Fenomenet kryesore elementare që lidhen me gjenet mund të konsiderohen ndryshimet e tyre strukturore lokale (mutacionet) dhe transferimi i informacionit të ruajtur në to në sistemet e kontrollit ndërqelizor.
Riduplikimi i kovarianteve ndodh sipas parimit të matricës duke thyer lidhjet hidrogjenore të spirales së dyfishtë të ADN-së me pjesëmarrjen e enzimës së polimerazës së ADN-së. Pastaj secila prej fijeve ndërton një fije përkatëse për vete, pas së cilës fillesat e reja lidhen në mënyrë plotësuese me njëra-tjetrën.Bazat pirimidine dhe purine të vargjeve komplementare lidhen me njëra-tjetrën me anë të ADN polimerazës. Ky proces është shumë i shpejtë. Kështu, vetë-montimi i ADN-së së Escherichia coli, i cili përbëhet nga rreth 40 mijë çifte bazash, kërkon vetëm 100 s. Informacioni gjenetik transferohet nga bërthama nga molekulat e mRNA në citoplazmë tek ribozomet dhe përfshihet në sintezën e proteinave atje. Një proteinë që përmban mijëra aminoacide sintetizohet në një qelizë të gjallë në 5-6 minuta, ndërsa te bakteret është më e shpejtë.
Sistemet kryesore të kontrollit, si në reduplikim konvariant ashtu edhe në transferimin e informacionit ndërqelizor, përdorin "parimin e matricës", d.m.th. janë matrica, pranë të cilave ndërtohen makromolekulat specifike përkatëse. Aktualisht, kodi i ngulitur në strukturën e acideve nukleike, i cili shërben si një matricë në sintezën e strukturave specifike të proteinave në qeliza, po deshifrohet me sukses. Riduplikimi i bazuar në kopjimin e matricës ruan jo vetëm normën gjenetike, por edhe devijimet prej saj, d.m.th. mutacionet (baza e procesit evolucionar). Njohja mjaftueshëm e saktë e nivelit molekular-gjenetik është një parakusht i domosdoshëm për një kuptim të qartë të fenomeneve të jetës që ndodhin në të gjitha nivelet e tjera të organizimit të jetës.
Përmbajtja e artikullit
RREZATIMI RELIKT, hapësirë rrezatimi elektromagnetik, i cili vjen në Tokë nga të gjitha anët e qiellit me afërsisht të njëjtin intensitet dhe ka një spektër karakteristik të rrezatimit të trupit të zi në një temperaturë prej rreth 3 K (3 gradë në shkallën absolute të Kelvinit, që korrespondon me -270 ° C). Në këtë temperaturë, pjesa kryesore e rrezatimit bie në valët e radios të intervaleve centimetra dhe milimetra. Dendësia e energjisë e rrezatimit relikt është 0,25 eV/cm 3 .
Astronomët eksperimentalë të radios preferojnë ta quajnë këtë rrezatim "sfondi kozmik mikrovalor" (CMB). Astrofizikanët teorikë shpesh e quajnë atë "rrezatim relikt" (termi u propozua nga astrofizikani rus I.S. Shklovsky), pasi, në kuadrin e teorisë së Universit të nxehtë të pranuar përgjithësisht sot, ky rrezatim u ngrit në një fazë të hershme të zgjerimit tonë. botë, kur substanca e saj ishte praktikisht homogjene dhe shumë e nxehtë. Ndonjëherë në literaturën shkencore dhe popullore mund të gjesh edhe termin "rrezatim kozmik me tre shkallë". Në vijim këtë rrezatim do ta quajmë “relike”.
Zbulimi në vitin 1965 i rrezatimit relikt ishte i një rëndësie të madhe për kozmologjinë; u bë një nga arritjet më të rëndësishme të shkencës natyrore në shekullin e 20-të. dhe, deri tani, më e rëndësishmja për kozmologjinë pas zbulimit të zhvendosjes së kuqe në spektrat e galaktikave. Rrezatimi i dobët relikt na sjell informacion për momentet e para të ekzistencës së Universit tonë, për atë epokë të largët kur i gjithë Universi ishte i nxehtë dhe nuk kishte ende planetë, yje, galaktika. Matjet e hollësishme të këtij rrezatimi të kryera vitet e fundit me ndihmën e observatorëve tokësorë, stratosferikë dhe hapësinorë heqin velin mbi misterin e vetë lindjes së Universit.
teoria e universit të nxehtë.
Në vitin 1929, astronomi amerikan Edwin Hubble (1889-1953) zbuloi se shumica e galaktikave po largohen prej nesh dhe sa më shpejt, aq më larg është galaktika (ligji i Hubble). Kjo është interpretuar si një zgjerim i përgjithshëm i universit që filloi rreth 15 miliardë vjet më parë. U ngrit pyetja se si dukej universi në të kaluarën e largët, kur galaktikat sapo kishin filluar të largoheshin nga njëra-tjetra, madje edhe më herët. Edhe pse aparati matematik i bazuar në teori e përgjithshme Teoria e relativitetit e Ajnshtajnit dhe përshkrimi i dinamikës së universit, u krijua në vitet 1920 nga Willem de Sitter (1872-1934), Alexander Friedmann (1888-1925) dhe Georges Lemaitre (1894-1966), rreth gjendje fizike Asgjë nuk ishte e njohur për universin në epokën e hershme të evolucionit të tij. Nuk kishte as siguri se kishte një moment të caktuar në historinë e universit që mund të konsiderohej "fillimi i zgjerimit".
Zhvillimi fizika bërthamore në vitet 1940 bëri të mundur fillimin e zhvillimit të modeleve teorike të evolucionit të Universit në të kaluarën, kur lënda e tij supozohej të ngjeshej në një densitet të lartë në të cilin ishin të mundshme reaksionet bërthamore. Këto modele, para së gjithash, supozohej të shpjegonin përbërjen e materies së Universit, e cila deri në atë kohë tashmë ishte matur në mënyrë mjaft të besueshme nga vëzhgimet e spektrave të yjeve: mesatarisht, ato përbëhen nga 2/3 e hidrogjenit dhe 1/3 e heliumit, dhe të gjithë elementët e tjerë kimikë të marrë së bashku përbëjnë jo më shumë se 2%. Njohja e vetive të grimcave intranukleare - protoneve dhe neutroneve - bëri të mundur llogaritjen e opsioneve për fillimin e zgjerimit të universit, duke ndryshuar në përmbajtjen fillestare të këtyre grimcave dhe temperaturën e substancës dhe rrezatimin që është në ekuilibër termodinamik. me të. Secili prej varianteve dha përbërjen e vet të substancës fillestare të Universit.
Nëse i lëmë detajet, atëherë ekzistojnë dy mundësi thelbësisht të ndryshme për kushtet në të cilat vazhdoi fillimi i zgjerimit të Universit: substanca e tij mund të jetë ose e ftohtë ose e nxehtë. Pasojat e reaksioneve bërthamore janë thelbësisht të ndryshme nga njëra-tjetra. Megjithëse ideja e mundësisë së një të kaluare të nxehtë të Universit u shpreh në veprat e tij të hershme nga Lemaitre, historikisht, mundësia e një fillimi të ftohtë u konsiderua për herë të parë në vitet 1930.
Në supozimet e para, besohej se e gjithë lënda e Universit ekzistonte në fillim në formën e neutroneve të ftohtë. Më vonë doli se një supozim i tillë bie ndesh me vëzhgimet. Fakti është se një neutron në gjendje të lirë prishet mesatarisht 15 minuta pas shfaqjes së tij, duke u shndërruar në një proton, një elektron dhe një antineutrino. Në një univers në zgjerim, protonet që rezultojnë do të fillonin të kombinoheshin me neutronet e mbetura, duke formuar bërthamat e atomeve të deuteriumit. Më tej, një zinxhir reaksionesh bërthamore do të çonte në formimin e bërthamave të atomeve të heliumit. Më komplekse bërthamat atomike, siç tregojnë llogaritjet, praktikisht nuk lindin në këtë rast. Si rezultat, e gjithë lënda do të shndërrohej në helium. Një përfundim i tillë është në kundërshtim të fortë me vëzhgimet e yjeve dhe materies ndëryjore. Prevalenca e elementeve kimike në natyrë hedh poshtë hipotezën e fillimit të zgjerimit të materies në formën e neutroneve të ftohtë.
Në vitin 1946 në Shtetet e Bashkuara, një version "i nxehtë" i fazave fillestare të zgjerimit të Universit u propozua nga fizikani me origjinë ruse Georgy Gamov (1904-1968). Në vitin 1948, u botua puna e bashkëpunëtorëve të tij Ralph Alpher dhe Robert Herman, të cilat shqyrtonin reaksionet bërthamore në lëndën e nxehtë në fillim të zgjerimit kozmologjik, në mënyrë që të përftohej raporti i vëzhguar aktualisht midis numrit të elementeve të ndryshëm kimikë dhe izotopeve të tyre. Në ato vite, dëshira për të shpjeguar origjinën e të gjithë elementëve kimikë me sintezën e tyre në momentet e para të evolucionit të materies ishte e natyrshme. Fakti është se në atë kohë ata e vlerësuan gabimisht kohën që kishte kaluar që nga fillimi i zgjerimit të Universit si vetëm 2-4 miliardë vjet. Kjo ishte për shkak të vlerës së mbivlerësuar të konstantës Hubble, e cila pasoi në ato vite nga vëzhgimet astronomike.
Duke krahasuar moshën e Universit në 2-4 miliardë vjet me moshën e vlerësuar të Tokës në rreth 4 miliardë vjet, duhej supozuar se Toka, Dielli dhe yjet u formuan nga materia primare me një të gatshme. përbërje kimike. Besohej se kjo përbërje nuk ndryshoi në ndonjë mënyrë domethënëse, pasi sinteza e elementeve në yje është një proces i ngadaltë dhe nuk kishte kohë për zbatimin e tij para formimit të Tokës dhe trupave të tjerë.
Rishikimi i mëvonshëm i shkallës së distancave jashtëgalaktike çoi gjithashtu në një rishikim të moshës së Universit. Teoria e evolucionit yjor shpjegon me sukses origjinën e të gjithë elementëve të rëndë (më të rëndë se heliumi) nga nukleosinteza e tyre në yje. Nuk kishte nevojë të shpjegohej prejardhja e të gjithë elementëve, përfshirë ato të rënda, në një fazë të hershme të zgjerimit të Universit. Sidoqoftë, thelbi i hipotezës së universit të nxehtë doli të ishte i saktë.
Nga ana tjetër, bollëku i heliumit në yje dhe gaz ndëryjor është rreth 30% në masë. Kjo është shumë më tepër sesa mund të shpjegohet me reaksionet bërthamore në yje. Kjo do të thotë që heliumi, ndryshe nga elementët e rëndë, duhet të sintetizohet në fillim të zgjerimit të Universit, por në të njëjtën kohë - në një sasi të kufizuar.
Ideja kryesore e teorisë së Gamow është pikërisht se temperatura e lartë e materies parandalon shndërrimin e të gjithë materies në helium. Në momentin 0,1 sek pas fillimit të zgjerimit, temperatura ishte rreth 30 miliardë K. Në një substancë kaq të nxehtë ka shumë fotone me energji të lartë. Dendësia dhe energjia e fotoneve janë aq të larta sa drita ndërvepron me dritën, duke çuar në krijimin e çifteve elektron-pozitron. Asgjësimi i çifteve, nga ana tjetër, mund të çojë në prodhimin e fotoneve, si dhe në prodhimin e çifteve të neutrinos dhe antineutrinos. Në këtë "kazan që zien" është materie e zakonshme. Në temperatura shumë të larta, bërthamat komplekse atomike nuk mund të ekzistojnë. Ato do të thyheshin menjëherë nga grimcat energjike përreth. Prandaj, grimcat e rënda të materies ekzistojnë në formën e neutroneve dhe protoneve. Ndërveprimet me grimcat energjike bëjnë që neutronet dhe protonet të kthehen shpejt në njëri-tjetrin. Sidoqoftë, reagimet e kombinimit të neutroneve me protonet nuk ndodhin, pasi bërthama e deuteriumit që rezulton shpërbëhet menjëherë nga grimcat me energji të lartë. Po, për shkak të temperaturë të lartë në fillim, zinxhiri që çon në formimin e heliumit prishet.
Vetëm derisa zgjerimi i universit të ftohet nën një miliard kelvin, një pjesë e deuteriumit që rezulton është ruajtur tashmë dhe çon në shkrirjen e heliumit. Llogaritjet tregojnë se temperatura dhe dendësia e materies mund të rregullohen në mënyrë që në këtë kohë fraksioni i neutroneve në lëndë të jetë rreth 15% në masë. Këto neutrone kombinohen me të njëjtin numër protonesh për të formuar rreth 30% helium. Grimcat e mbetura të rënda mbetën në formën e protoneve - bërthamat e atomeve të hidrogjenit. Reaksionet bërthamore përfundon pas pesë minutave të para pas fillimit të zgjerimit të universit. Në të ardhmen, ndërsa Universi zgjerohet, temperatura e materies dhe rrezatimit të tij ulet. Kjo pasoi nga veprat e Gamow, Alfer dhe Herman në 1948: nëse teoria e Universit të nxehtë parashikon shfaqjen e 30% helium dhe 70% hidrogjen si elementët kryesorë kimikë të natyrës, atëherë Universi modern në mënyrë të pashmangshme duhet të mbushet me një mbetje ("relike") e rrezatimit të nxehtë primordial, dhe temperatura aktuale ky rrezatim i sfondit duhet të jetë rreth 5 K.
Megjithatë, në hipotezën Gamow, analiza opsione të ndryshme fillimi i zgjerimit kozmologjik nuk ka përfunduar. Në fillim të viteve 1960, një përpjekje e zgjuar për t'u rikthyer në versionin e ftohtë u bë nga Ya.B. Zeldovich, i cili sugjeroi se lënda origjinale e ftohtë përbëhej nga protone, elektrone dhe neutrinos. Siç tregoi Zeldovich, një përzierje e tillë shndërrohet në hidrogjen i pastër. Heliumi dhe elementët e tjerë kimikë, sipas kësaj hipoteze, u sintetizuan më vonë, kur u formuan yjet. Vini re se në këtë kohë, astronomët tashmë e dinin se Universi ishte disa herë më i vjetër se Toka dhe shumica e yjeve rreth nesh, dhe të dhënat mbi bollëkun e heliumit në lëndën parayjore ishin ende shumë të pasigurta në ato vite.
Duket se kërkimi i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës mund të bëhet testi vendimtar për zgjedhjen midis modeleve të ftohta dhe të nxehta të Universit. Por për disa arsye, për shumë vite pas parashikimit të Gamow dhe kolegëve të tij, askush me vetëdije nuk u përpoq ta zbulonte këtë rrezatim. Ai u zbulua krejt rastësisht në vitin 1965 nga radiofizianët e kompanisë amerikane "Bell" R. Wilson dhe A. Penzias, të cilët u nderuan me çmimin Nobel në 1978.
Në rrugën drejt zbulimit të rrezatimit relikt.
Në mesin e viteve 1960, astrofizikanët vazhduan të studionin teorikisht modelin e nxehtë të universit. Llogaritja e karakteristikave të pritshme të CMB u krye në 1964 nga A.G. Doroshkevich dhe I.D. Novikov në BRSS dhe në mënyrë të pavarur nga F. Hoyle dhe R.J. Taylor në Britaninë e Madhe. Por këto vepra, si më shumë punë e hershme Gamova dhe kolegët nuk tërhoqën vëmendjen. Por ata tashmë kanë treguar bindshëm se rrezatimi relikt mund të vërehet. Pavarësisht dobësisë ekstreme të këtij rrezatimi në epokën tonë, ai për fat të mirë qëndron në atë rajon të spektrit elektromagnetik ku të gjitha burimet e tjera kozmike në tërësi rrezatojnë edhe më dobët. Prandaj, një kërkim i synuar për sfondin kozmik të mikrovalës duhet të kishte çuar në zbulimin e tij, por astronomët e radios nuk dinin për të.
Ja çfarë tha A. Penzias në leksionin e tij Nobel: “Njohja e parë e botuar e CMB si një fenomen i dallueshëm në rrezen e radios u shfaq në pranverën e vitit 1964 në një artikull të shkurtër nga A.G. Doroshkevich dhe I.D. Novikov, me titull Dendësia mesatare rrezatimi në Metagalaksi dhe disa pyetje të kozmologjisë relativiste. Edhe pse perkthim anglisht u shfaq në të njëjtin vit, por pak më vonë, në revistën e njohur "Soviet Physics - Reports", artikulli, me sa duket, nuk tërhoqi vëmendjen e specialistëve të tjerë në këtë fushë. Ky punim i shkëlqyer jo vetëm që nxjerr spektrin e CMB si një fenomen i valës së trupit të zi, por gjithashtu fokusohet qartë në reflektorin e bririt prej njëzet këmbësh të Bell Labs në Crawford Hill si instrumenti më i përshtatshëm për zbulimin e tij!” (cituar nga: Sharov A.S., Novikov I.D. Njeriu që zbuloi shpërthimin e universit: Jeta dhe vepra e Edwin Hubble. M., 1989).
Fatkeqësisht, ky artikull kaloi pa u vënë re as nga teoricienët, as nga vëzhguesit; nuk stimuloi kërkimin e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Historianët e shkencës ende pyesin pse për shumë vite askush nuk u përpoq të kërkonte me vetëdije rrezatim nga Universi i nxehtë. Është kurioze që ka kaluar ky zbulim - një nga më të mëdhenjtë e shekullit të 20-të. – shkencëtarët kaluan disa herë pa e vënë re.
Për shembull, rrezatimi relikt mund të ishte zbuluar që në vitin 1941. Pastaj astronomi kanadez E. McKellar analizoi linjat e absorbimit të shkaktuara në spektrin e yllit Zeta Ophiuchus nga molekulat ndëryjore të cianidit. Ai arriti në përfundimin se këto linja në rajonin e dukshëm të spektrit mund të lindin vetëm kur drita absorbohet nga molekulat rrotulluese të cianit, dhe rrotullimi i tyre duhet të ngacmohet nga rrezatimi me një temperaturë prej rreth 2.3 K. Sigurisht, askush nuk mund të ketë mendohej atëherë se ngacmimi i niveleve rrotulluese të këtyre molekulave shkaktohet nga rrezatimi relikt. Vetëm pas zbulimit të tij në 1965 u botuan veprat e I.S. Shklovsky, J. Field dhe të tjerë, në të cilat u tregua se ngacmimi i rrotullimit të molekulave ndëryjore të cianit, linjat e të cilave vërehen qartë në spektrat e shumë yjeve, shkaktohet pikërisht nga rrezatimi relikt.
Një histori edhe më dramatike ndodhi në mesin e viteve 1950. Më pas shkencëtari i ri T.A. Shmaonov, nën drejtimin e radioastronomëve të famshëm sovjetikë S.E. Khaikin dhe N.L. Kaidanovsky, mati emetimin e radios nga hapësira në një gjatësi vale prej 32 cm. Këto matje u bënë duke përdorur antenë me bri, e ngjashme me atë të përdorur shumë vite më vonë nga Penzias dhe Wilson. Shmaonov studioi me kujdes ndërhyrjen e mundshme. Natyrisht, në atë kohë ai nuk kishte në dispozicion marrës kaq të ndjeshëm siç kishin amerikanët më vonë. Rezultatet e matjeve të Shmaonov u botuan në vitin 1957 në tezën e doktoraturës dhe në revistën Devices and Experimental Technique. Përfundimi nga këto matje ishte: “Doli që vlere absolute temperatura efektive e emetimit të radios në sfond ... është e barabartë me 4 ± 3 K”. Shmaonov vuri në dukje pavarësinë e intensitetit të rrezatimit nga drejtimi në qiell dhe nga koha. Megjithëse gabimet e matjes ishin të mëdha dhe nuk ka nevojë të flitet për ndonjë besueshmëri të figurës 4, tani është e qartë për ne që Shmaonov mati saktësisht rrezatimin kozmik të sfondit të mikrovalës. Fatkeqësisht, as ai dhe as astronomët e tjerë të radios nuk dinin asgjë për mundësinë e ekzistencës së rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor dhe nuk i kushtuan rëndësinë e duhur këtyre matjeve.
Më në fund, rreth vitit 1964, fizikani i njohur eksperimental nga Princeton (SHBA) Robert Dicke iu afrua me vetëdije këtij problemi. Megjithëse arsyetimi i tij bazohej në teorinë e një universi "luhatës" që përjeton vazhdimisht zgjerimin dhe tkurrjen, Dicke e kuptoi qartë nevojën për të kërkuar për CMB. Me iniciativën e tij, në fillim të vitit 1965, teoricieni i ri F.J.E. Peebles kreu llogaritjet e nevojshme, dhe P.G. Roll dhe D.T. laborator fizik në Princeton. Për të kërkuar rrezatimin e sfondit, nuk është e nevojshme të përdorni teleskopë të mëdhenj radio, pasi rrezatimi vjen nga të gjitha drejtimet. Asgjë nuk përfitohet nga fakti se një antenë e madhe fokuson rrezen në një zonë më të vogël të qiellit. Por grupi i Dicke nuk pati kohë për të bërë zbulimin e planifikuar: kur pajisjet e tyre ishin tashmë gati, atyre iu desh vetëm të konfirmonin zbulimin, i bërë aksidentalisht nga të tjerët një ditë më parë.
Zbulimi i rrezatimit relikt.
Në vitin 1960, një antenë u ndërtua në Crawford Hill, Holmdel (New Jersey, SHBA) për të marrë sinjale radio të pasqyruara nga sateliti i balonës Echo. Në vitin 1963, kjo antenë nuk ishte më e nevojshme për të punuar me satelitin dhe fizikantët e radios Robert Woodrow Wilson (l. 1936) dhe Arno Elan Penzias (l. 1933) nga laboratori i kompanisë Bell Telephone vendosën ta përdorin atë për astronominë radio. vëzhgimet. Antena ishte një bori prej 20 këmbësh. Së bashku me pajisjen më të fundit marrëse, ky radio teleskop ishte në atë kohë instrumenti më i ndjeshëm në botë për matjen e valëve të radios që vinin nga zona të gjera në qiell. Para së gjithash, supozohej të matej emetimi i radios së mediumit ndëryjor të galaktikës sonë në një gjatësi vale prej 7,35 cm. Arno Penzias dhe Robert Wilson nuk dinin për teorinë e universit të nxehtë dhe nuk kishin ndërmend të kërkonin mikrovalë kozmike rrezatimi i sfondit.
Për të matur me saktësi emetimin e radios së Galaxy, ishte e nevojshme të merren parasysh të gjitha ndërhyrjet e mundshme të shkaktuara nga rrezatimi i atmosferës së Tokës dhe sipërfaqes së Tokës, si dhe ndërhyrjet që ndodhin në antenë, qarqet elektrike dhe marrës. Testimi paraprak i sistemit marrës tregoi pak më shumë zhurmë nga sa pritej, por dukej e besueshme se kjo ishte për shkak të një tepricë të lehtë të zhurmës në qarqet amplifikuese. Për të kapërcyer këto probleme, Penzias dhe Wilson përdorën një pajisje të njohur si "ngarkesë e ftohtë" në të cilën sinjali që vjen nga antena krahasohet me sinjalin nga burim artificial, i ftohur nga helium i lëngshëm në një temperaturë prej rreth katër gradë mbi zero absolute (4 K). Në të dyja rastet, zhurma elektrike në qarqet amplifikuese duhet të jetë e njëjtë, dhe për këtë arsye diferenca e përftuar nga krahasimi jep fuqinë e sinjalit që vjen nga antena. Ky sinjal përmban kontribute vetëm nga pajisja e antenës, atmosfera e tokës dhe burimi astronomik i valëve të radios që hyjnë në fushën e shikimit të antenës.
Penzias dhe Wilson prisnin që rregullimi i antenës të prodhonte shumë pak zhurmë elektrike. Megjithatë, për të testuar këtë supozim, ata filluan vëzhgimet e tyre në një mënyrë krahasuese valë të shkurtra 7.35 cm e gjatë, në të cilën zhurma e radios nga Galaxy duhet të jetë paksa e vogël. Natyrisht, pritej një lloj zhurme radioje në një gjatësi vale të tillë nga atmosfera e Tokës, por kjo zhurmë duhet të ketë një varësi karakteristike nga drejtimi: duhet të jetë në përpjesëtim me trashësinë e atmosferës në drejtimin në të cilin shikon antena: a. pak më pak drejt zenitit, pak më shumë drejt drejtimit të horizontit. Pritej që pas zbritjes së termit atmosferik me një varësi karakteristike nga drejtimi, të mos kishte asnjë sinjal domethënës nga antena dhe kjo do të konfirmonte që zhurma elektrike e prodhuar nga pajisja e antenës është e papërfillshme. Pas kësaj, do të jetë e mundur të fillohet studimi i vetë galaktikës në gjatësi vale të mëdha - rreth 21 cm, ku rrezatimi rruga e Qumështit ka rëndësi të konsiderueshme. (Vini re se valët e radios me gjatësi centimetra ose decimetra, deri në 1 m, zakonisht quhen "rrezatim mikrovalor." Ky emër është dhënë sepse këto gjatësi vale janë më të vogla se ato valë ultra të shkurtra të përdorura në radarë në fillim të Luftës së Dytë Botërore ..)
Për habinë e tyre, Penzias dhe Wilson zbuluan në pranverën e vitit 1964 se ata po merrnin një sasi mjaft të dukshme të zhurmës së mikrovalës të pavarur nga drejtimi në 7.35 cm. Ata zbuluan se ky "sfond statik" nuk ndryshonte me orën e ditës dhe më vonë zbuluan se nuk varej as nga sezoni. Rrjedhimisht, ky nuk mund të jetë rrezatimi i galaktikës, sepse në këtë rast intensiteti i tij do të ndryshonte në varësi të faktit nëse antena duket përgjatë rrafshit të Rrugës së Qumështit apo përtej. Për më tepër, nëse ky do të ishte rrezatimi i galaktikës sonë, atëherë galaktika e madhe spirale M 31 në Andromeda, e ngjashme në shumë aspekte me tonën, do të duhej gjithashtu të rrezatonte fuqishëm në një gjatësi vale prej 7.35 cm, por kjo nuk u vu re. Mungesa e ndonjë ndryshimi në zhurmën e vëzhguar të mikrovalës me drejtimin sugjeroi fuqimisht se këto valë radio, nëse ekzistojnë, nuk vijnë nga Rruga e Qumështit, por nga një vëllim shumë më i madh i universit.
Ishte e qartë për studiuesit se ata duhej të testonin përsëri për të parë nëse vetë antena mund të prodhonte më shumë zhurmë elektrike sesa pritej. Në veçanti, dihej se në grykën e antenës folenë një palë pëllumbash. Ata u kapën, u dërguan me postë në faqen e Bell's Vippany, u liruan, u rizbuluan disa ditë më vonë në pozicionin e tyre në antenë, u kapën dhe më në fund u qetësuan me mjete më drastike. Megjithatë, ndërsa merrnin me qira ambientet, pëllumbat mbuluan pjesën e brendshme të antenës me atë që Penzias e quajti një "substancë e bardhë dielektrike" që, kur temperatura e dhomës mund të jetë një burim i zhurmës elektrike. Në fillim të vitit 1965, boria e antenës u çmontua dhe të gjitha papastërtitë u pastruan, por kjo, si të gjitha truket e tjera, dha shumë pak ulje të nivelit të zhurmës së vëzhguar.
Kur të gjitha burimet e ndërhyrjes u analizuan dhe u llogaritën me kujdes, Penzias dhe Wilson u detyruan të arrinin në përfundimin se rrezatimi vjen nga hapësira dhe nga të gjitha drejtimet me të njëjtin intensitet. Doli që hapësira rrezaton sikur të ishte ngrohur në një temperaturë prej 3.5 kelvin (më saktë, saktësia e arritur na lejoi të konkludojmë se "temperatura e hapësirës" ishte nga 2.5 në 4.5 kelvin). Duhet të theksohet se ky është një rezultat eksperimental shumë delikat: për shembull, nëse një briket akulloreje vendoset përpara bririt të antenës, atëherë ajo do të shkëlqejë në rrezen e radios, 22 milionë herë më e ndritshme se pjesa përkatëse e qiellit. . Duke menduar për rezultatin e papritur të vëzhgimeve të tyre, Penzias dhe Wilson nuk nxituan të botonin. Por ngjarjet u zhvilluan tashmë kundër vullnetit të tyre.
Kështu ndodhi që Penzias thirri mikun e tij Bernard Burke nga Massachusetts në një rast krejtësisht tjetër. Instituti i Teknologjise. Pak para kësaj, Burke kishte dëgjuar nga kolegu i tij Ken Tsrner i Institutit Carnegie për një fjalim që kishte dëgjuar në Johns Hopkins nga teoricieni i Princetonit, Phil Peebleslem, i cili punonte nën Robert Dicke. Në këtë fjalim, Peebles argumentoi se duhet të ketë zhurmë radiofonike në sfond të mbetur nga universi i hershëm që tani ka një temperaturë ekuivalente prej rreth 10 K.
Penzias thirri Dicke dhe të dy ekipet kërkimore u takuan. U bë e qartë për Robert Dicke dhe kolegët e tij F. Peebles, P. Roll dhe D. Wilkinson se A. Penzias dhe R. Wilson zbuluan rrezatimin kozmik të sfondit mikrovalor nga Universi i nxehtë. Shkencëtarët vendosën të publikojnë njëkohësisht dy letra në revistën prestigjioze Astrophysical Journal. Në verën e vitit 1965, të dy veprat u botuan: nga Penzias dhe Wilson mbi zbulimin e rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor, dhe nga Dicke dhe kolegët me shpjegimin e tij duke përdorur teorinë e Universit të nxehtë. Me sa duket jo plotësisht të bindur për interpretimin kozmologjik të zbulimit të tyre, Penzias dhe Wilson i dhanë shënimit të tyre një titull modest: Matja e temperaturës së tepërt të antenës në 4080 MHz. Ata thjesht deklaruan se "matjet e temperaturës efektive të zhurmës së zenitit ... dhanë një vlerë 3.5 K më të lartë se sa pritej", dhe shmangën çdo përmendje të kozmologjisë, përveç shprehjes që " shpjegim i mundshëm temperatura e tepërt e vëzhguar e zhurmës është dhënë nga Dicke, Peebles, Roll dhe Wilkinson në një letër shoqëruese në të njëjtin numër të revistës.
Në vitet pasuese, u bënë matje të shumta në gjatësi vale të ndryshme nga dhjetëra centimetra në fraksione të një milimetri. Vëzhgimet kanë treguar se spektri CMB korrespondon me formulën e Planck, siç duhet të jetë për rrezatim me një temperaturë të caktuar. Kjo temperaturë u konfirmua të ishte rreth 3 K. U bë një zbulim i jashtëzakonshëm, që dëshmon se Universi ishte i nxehtë në fillim të zgjerimit.
E tillë është ndërthurja komplekse e ngjarjeve që kulmuan me zbulimin e universit të nxehtë nga Penzias dhe Wilson në vitin 1965. Vendosja e faktit të temperaturës tepër të lartë në fillimin e zgjerimit të universit ishte pikënisja kërkime të mëdha, duke çuar në zbulimin jo vetëm të sekreteve astrofizike, por edhe të sekreteve të strukturës së materies.
Matjet më të sakta të rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës janë kryer nga hapësira: këto janë eksperimenti Relikt në satelitin Sovjetik Prognoz-9 (1983–1984) dhe eksperimenti DMR (Radiometri me mikrovalë diferenciale) në satelitin amerikan COBE (Sfondi kozmik). Explorer, nëntor 1989–1993). Ky i fundit bëri të mundur përcaktimin më të saktë të temperaturës së rrezatimit relikt: 2,725 ± 0,002 K.
Sfondi i mikrovalës si "eter i ri".
Pra, spektri CMB korrespondon me saktësi shumë të lartë me rrezatimin e një trupi absolutisht të zi (d.m.th., përshkruhet nga formula e Planck) me një temperaturë T = 2,73 K. Megjithatë, devijime të vogla (rreth 0,1%) nga kjo temperaturë mesatare janë vërehet varësisht se në cilin drejtim në qiell bëhet matja. Fakti është se rrezatimi relikt është izotropik vetëm në sistemin koordinativ që lidhet me të gjithë sistemin e galaktikave që tërhiqen, në të ashtuquajturën "kornizë referuese në lëvizje", e cila zgjerohet së bashku me Universin. Në çdo sistem tjetër koordinativ, intensiteti i rrezatimit varet nga drejtimi. Para së gjithash, kjo shkaktohet nga lëvizja e pajisjes matëse në lidhje me sfondin kozmik të mikrovalës: efekti Doppler çon në "kaltërsinë" e fotoneve që fluturojnë drejt pajisjes dhe në "skuqjen" e fotoneve që kapin atë.
Në këtë rast, temperatura e matur në krahasim me mesataren (T 0) varet nga drejtimi i lëvizjes: T \u003d T 0 (1 + (v / c) cos i), ku v është shpejtësia e pajisjes në sistemin koordinativ të lidhur me rrezatimin e sfondit; c është shpejtësia e dritës, iështë këndi ndërmjet vektorit të shpejtësisë dhe drejtimit të vëzhgimit. Në sfondin e një shpërndarje uniforme të temperaturës, shfaqen dy "pole" - të ngrohta në drejtim të lëvizjes dhe të ftohta në drejtim të kundërt. Prandaj, një devijim i tillë nga uniformiteti quhet "dipol". Komponenti i dipolit në shpërndarjen e rrezatimit relikt u zbulua gjatë vëzhgimeve me bazë tokësore: në drejtim të konstelacionit të Luanit, temperatura e këtij rrezatimi doli të ishte 3,5 mK më e lartë se mesatarja, dhe në drejtim të kundërt (yjësia e Ujori) me të njëjtën sasi nën mesataren. Prandaj, ne po lëvizim në lidhje me rrezatimin e sfondit me një shpejtësi prej rreth 400 km / s. Saktësia e matjes rezultoi aq e lartë sa u gjetën edhe ndryshime vjetore në komponentin e dipolit, të shkaktuara nga rrotullimi i Tokës rreth Diellit me një shpejtësi prej 30 km/s.
Matjet me satelitët artificialë Toka i rafinoi ndjeshëm këto të dhëna. Sipas COBE, pasi merret parasysh lëvizja orbitale e Tokës, rezulton se sistem diellor lëviz ashtu që amplituda e komponentit dipol të temperaturës së rrezatimit relikt D T = 3,35 mK; kjo i përgjigjet shpejtësisë së lëvizjes V = 366 km/s. Dielli lëviz në raport me rrezatimin në drejtim të kufirit të yjësive Leo dhe Kupë, në një pikë me koordinata ekuatoriale a = 11 h 12 m dhe d = –7,1° (epoka J2000); që i përgjigjet koordinatave galaktike l = 264,26° dhe b = 48,22°. Lëvizja e vetë Diellit në galaktikë tregon se, në krahasim me të gjitha galaktikat në grupin lokal, Dielli lëviz me një shpejtësi prej 316 ± 5 km/s në drejtim. l 0 = 93 ± 2° dhe b 0 = –4 ± 2° . Prandaj, lëvizja e vetë Grupit Lokal në lidhje me sfondin kozmik mikrovalor ndodh me një shpejtësi prej 635 km/s në drejtim rreth l= 269° dhe b= +29°. Kjo është afërsisht në një kënd prej 45° në lidhje me drejtimin drejt qendrës së grupit të galaktikave në Virgjëreshë (Virgjëresha).
Studimi i lëvizjeve të galaktikave në një shkallë edhe më të madhe tregon se koleksioni i grupimeve të afërta të galaktikave (119 grupime nga katalogu i Abelit brenda 200 Mpc nga ne) lëviz në tërësi në lidhje me CMB me një shpejtësi prej rreth 700 km/s. Kështu, lagja jonë e Universit po noton në detin e rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor me një shpejtësi të dukshme. Astrofizikanët kanë tërhequr vazhdimisht vëmendjen për faktin se vetë fakti i ekzistencës së rrezatimit relikt dhe korniza e zgjedhur e referencës e lidhur me të i cakton rolin e "eterit të ri" këtij rrezatimi. Por nuk ka asgjë mistike për këtë: të gjitha matjet fizike në këtë kuadër referimi janë ekuivalente me matjet në çdo tjetër sistemi inercial referencë. (Diskutimi i problemit të "eterit të ri" në lidhje me parimin Mach mund të gjendet në librin: Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Struktura dhe evolucioni i Universit. M., 1975).
Anizotropia e rrezatimit relikt.
Temperatura e CMB është vetëm një nga parametrat e saj që përshkruajnë Universin e hershëm. Në vetitë e këtij rrezatimi janë ruajtur edhe gjurmë të tjera të qarta të një epoke shumë të hershme në evolucionin e botës sonë. Astrofizikanët i gjejnë këto gjurmë duke analizuar spektrin dhe inhomogjenitetin hapësinor (anizotropinë) të CMB.
Sipas teorisë së Universit të nxehtë, pas rreth 300 mijë vjetësh pas fillimit të zgjerimit, temperatura e materies dhe rrezatimi i lidhur me të u ul në 4000 K. Në këtë temperaturë, fotonet nuk mund të jonizonin më atomet e hidrogjenit dhe heliumit. Prandaj, në atë epokë që korrespondon me zhvendosjen e kuqe z = 1400, ndodhi rikombinimi i nxehtë i plazmës, si rezultat i të cilit plazma u shndërrua në një gaz neutral. Sigurisht, atëherë nuk kishte galaktika dhe yje. Ata u ngritën shumë më vonë.
Pasi u bë neutral, gazi që mbush Universin doli të ishte praktikisht transparent ndaj rrezatimit relikt (megjithëse në atë epokë nuk ishin valë radio, por drita në rrezet e dukshme dhe afër infra të kuqe). Prandaj, rrezatimi i lashtë na arrin pothuajse i papenguar nga thellësitë e hapësirës dhe kohës. Por megjithatë gjatë rrugës përjeton disa ndikime dhe si monument arkeologjik mban gjurmë të ngjarjeve historike.
Për shembull, në epokën e rikombinimit, atomet emetuan shumë fotone me një energji të rendit 10 eV, e cila është dhjetëra herë më e lartë se energjia mesatare e fotonit të rrezatimit ekuilibër të asaj epoke (në T = 4000 K, ka shumë pak fotone të tilla energjetike, të rendit të një miliardës së tyre numri total). Prandaj, rrezatimi i rikombinimit do të duhet të shtrembërojë fuqishëm spektrin Planck të rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës në intervalin e gjatësisë së valës prej rreth 250 μm. Vërtetë, llogaritjet kanë treguar se ndërveprimi i fortë i rrezatimit me lëndën do të çojë në faktin se energjia e lëshuar kryesisht do të "shpërndahet" në një zonë të gjerë të spektrit dhe nuk do ta shtrembërojë atë shumë, por matjet e sakta të ardhshme do të jenë në gjendje të vërejnë edhe ky shtrembërim.
Dhe shumë më vonë, në epokën e formimit të galaktikave dhe gjeneratës së parë të yjeve (në z ~ 10), kur një masë e madhe e materies tashmë pothuajse të ftohur përjetoi përsëri ngrohje të konsiderueshme, spektri CMB mund të ndryshojë përsëri, sepse, duke u shpërndarë në elektronet e nxehta, fotonet me energji të ulët rrisin energjinë e tyre (i ashtuquajturi "efekti i kundërt Compton"). Të dy efektet e përshkruara më sipër shtrembërojnë spektrin e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës në rajonin e tij me gjatësi vale të shkurtër, i cili deri më tani ka qenë më pak i studiuar.
Edhe pse në epokën tonë shumica materia e zakonshme është e mbushur dendur në yje, dhe ato në galaktika, megjithatë, edhe afër nesh, rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës mund të përjetojë një shtrembërim të dukshëm të spektrit nëse rrezet e tij kalojnë nëpër një grup të madh galaktikash në rrugën e tyre për në Tokë. Në mënyrë tipike, grupe të tilla mbushen me një gaz ndërgalaktik të rrallë, por shumë të nxehtë që ka një temperaturë prej rreth 100 milionë K. Duke u shpërndarë në elektronet e shpejta të këtij gazi, fotonet me energji të ulët rrisin energjinë e tyre (ende i njëjti efekt i kundërt Compton) dhe kalojnë nga rajoni Rayleigh-Jeans me frekuencë të ulët të spektrit në rajonin fajtor me frekuencë të lartë. Ky efekt u parashikua nga R.A. Sunyaev dhe Ya.B. Zeldovich dhe u zbulua nga astronomët e radios në drejtim të shumë grupimeve të galaktikave në formën e një uljeje të temperaturës së rrezatimit në rajonin Rayleigh-Jeans të spektrit me 1-3 mK . Efekti Sunyaev-Zel'dovich ishte i pari që u zbulua midis efekteve që krijojnë anizotropinë e rrezatimit relikt. Një krahasim i madhësisë së tij me shkëlqimin e rrezeve X të grupimeve të galaktikave bëri të mundur përcaktimin e pavarur të konstantës së Hubble (H = 60 ± 12 km/s/Mpc).
Le të kthehemi në epokën e rikombinimit. Në një moshë më pak se 300,000 vjet, Universi ishte një plazmë pothuajse homogjene, që dridhej nga tingulli, ose më mirë, nga valët infrasonike. Llogaritjet e kozmologëve thonë se këto valë të ngjeshjes dhe zgjerimit të materies gjeneruan gjithashtu luhatje në densitetin e rrezatimit në një plazmë të errët, dhe për këtë arsye tani ato duhet të zbulohen si një "gullimë" paksa e dukshme në një rrezatim të sfondit mikrovalor kozmik pothuajse uniform. Prandaj, sot duhet të vijë në Tokë me parti të ndryshme me intensitet paksa të ndryshëm. NË këtë rast po flasim jo për anizotropinë e parëndësishme të dipolit të shkaktuar nga lëvizja e vëzhguesit, por për ndryshimet e intensitetit të natyrshme në të vërtetë në vetë rrezatimin. Amplituda e tyre duhet të jetë jashtëzakonisht e vogël: afërsisht njëqind e mijëta e vetë temperaturës së rrezatimit, d.m.th. rreth 0.00003 K. Janë shumë të vështira për t'u matur. Përpjekjet e para për të përcaktuar madhësinë e këtyre luhatjeve të vogla në varësi të drejtimit në qiell u bënë menjëherë pas zbulimit të vetë rrezatimit relikt në vitin 1965. Më vonë ato nuk u ndalën, por zbulimi u bë vetëm në vitin 1992 me ndihmën e pajisje të marra jashtë Tokës. Në vendin tonë matje të tilla u kryen në eksperimentin Relikt, por këto luhatje të vogla u regjistruan më me siguri nga sateliti amerikan COBE (Fig. 1).
Kohët e fundit, janë kryer dhe planifikuar shumë eksperimente për të matur amplituda e luhatjeve të rrezatimit të sfondit të mikrovalës kozmike në shkallë të ndryshme këndore, nga shkallët në sekondat e harkut. Të ndryshme dukuritë fizike, që ndodhën në momentet e para të jetës së Universit, duhet të kishin lënë gjurmët e tyre karakteristike në rrezatimin që vinte tek ne. Teoria parashikon një marrëdhënie të caktuar midis madhësive të pikave të ftohta dhe të nxehta në intensitetin CMB dhe shkëlqimit të tyre relativ. Varësia është shumë e veçantë: përmban informacione për proceset e lindjes së Universit, për atë që ndodhi menjëherë pas lindjes, si dhe për parametrat e Universit të sotëm.
Rezolucioni këndor i vëzhgimeve të para - në eksperimentet Relict-2 dhe COBE - ishte shumë i dobët, rreth 7°, kështu që informacioni rreth luhatjeve të CMB ishte i paplotë. Në vitet në vijim, të njëjtat vëzhgime u kryen me ndihmën e radioteleskopëve tokësorë (në vendin tonë për këtë përdoret instrumenti RATAN-600 me një hapje të pambushur 600 m në diametër) dhe radioteleskopët që ngjiten. balona në shtresat e sipërme të atmosferës.
Një hap themelor në studimin e anizotropisë së rrezatimit të sfondit të mikrovalëve kozmik ishte eksperimenti Boomerang (BOOMERANG), i kryer nga shkencëtarë nga SHBA, Kanada, Itali, Angli dhe Francë duke përdorur një balonë pa pilot të NASA-s (SHBA) me një vëllim prej 1 milion. metra kub, i cili nga 29 dhjetori 1998 deri më 9 janar 1999 bëri një rreth në një lartësi prej 37 km rreth Polit të Jugut dhe, pasi kishte fluturuar rreth 10 mijë km, hodhi gondolën me instrumente në një parashutë 50 km nga vendi i nisjes. Vëzhgimet u kryen me një teleskop nënmilimetër me një pasqyrë kryesore me diametër 1,2 m, në qendër të së cilës ishte një sistem bolometrash i ftohur në 0,28 K, i cili mati sfondin në katër kanale frekuencash (90, 150, 240 dhe 400 GHz) me rezolucion këndor 0,2–0 ,3 gradë. Gjatë fluturimit, vëzhgimet mbuluan rreth 3% të sferës qiellore.
Inhomogjenitetet e temperaturës së rrezatimit relikt me një amplitudë karakteristike prej 0,0001 K të regjistruara në eksperimentin e Boomerang-ut konfirmuan korrektësinë e modelit "akustik" dhe treguan se gjeometria hapësinore-kohë katërdimensionale e Universit mund të konsiderohet e sheshtë. Informacioni i marrë bëri të mundur edhe gjykimin e përbërjes së Universit: u konfirmua se lënda e zakonshme barionike, nga e cila përbëhet yjet, planetët dhe gazi ndëryjor, përbën vetëm rreth 4% të masës; dhe 96% e mbetur përmbahen në forma ende të panjohura të materies.
Eksperimenti i Boomerang-ut u plotësua në mënyrë të përkryer nga një eksperiment i ngjashëm MAXIMA (Millimeter Anisotropy Experiment IMaging Array), i kryer kryesisht nga shkencëtarë në SHBA dhe Itali. Pajisjet e tyre, të cilat fluturuan në stratosferë në gusht 1998 dhe qershor 1999, eksploruan më pak se 1% të sferës qiellore, por me një rezolucion të lartë këndor: rreth 5". Baloni bëri fluturime natën mbi Shtetet e Bashkuara kontinentale. Pasqyra kryesore i teleskopit kishte një diametër prej 1.3 m. Pjesa marrëse e aparatit përbëhej nga 16 detektorë që mbulonin 3 diapazon frekuencash, pasqyrat dytësore u ftohën në temperatura kriogjenike dhe bolometrat madje. temperaturë të ulët ishte e mundur të ruheshin deri në 40 orë, gjë që kufizoi kohëzgjatjen e fluturimit.
Eksperimenti MAXIMA zbuloi një "grumbullim" të vogël në shpërndarjen këndore të temperaturës CMB. Të dhënat e tij u plotësuan nga vëzhgimet nga një observator me bazë tokësore duke përdorur interferometrin DASI (Degree Angular Scale Interferometer) të instaluar nga astronomët e radios. Universiteti i Çikagos(SHBA) në poli jugor. Ky interferometër kriogjenik me 13 elementë i vëzhguar në dhjetë kanale frekuencash në intervalin 26-36 GHz dhe zbuloi luhatje edhe më të vogla në CMB, dhe varësia e amplitudës së tyre nga madhësia këndore konfirmon mirë teorinë e lëkundjeve akustike të trashëguara nga universi i ri. .
Përveç matjeve të intensitetit të rrezatimit relikt nga sipërfaqja e Tokës, janë planifikuar edhe eksperimente hapësinore. Në vitin 2007, është planifikuar të lëshohet në hapësirë radioteleskopi Planck (Agjencia Evropiane e Hapësirës). Rezolucioni i tij këndor do të jetë dukshëm më i lartë dhe ndjeshmëria e tij rreth 30 herë më e mirë se në eksperimentin COBE. Prandaj, astrofizikanët shpresojnë se do të sqarohen shumë fakte rreth fillimit të ekzistencës së Universit tonë (shih Fig. 1).
Vladimir Surdin
Literatura:
Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Struktura dhe evolucioni i universit. M., 1975
Kozmologjia: Teoria dhe Vëzhgimet. M., 1978
Weinberg S. Tre minutat e para. Një pamje moderne e origjinës së universit. M., 1981
Mëndafshi J. Big Bang. Lindja dhe evolucioni i Universit. M., 1982
Sunyaev R.A. Rrezatimi i sfondit të mikrovalës. - Në librin: Space Physics: Little Encyclopedia. M., 1986
Dolgov A.D., Zeldovich Ya.B., Sazhin M.V. Kozmologjia e universit të hershëm. M., 1988
Novikov I.D. Evolucioni i Universit. M., 1990
Në vitin 2006, John Mather dhe George Smoot u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë për zbulimin e tyre të spektrit të trupit të zi dhe anizotropisë së rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Këto rezultate u morën në bazë të matjeve të bëra me ndihmën e satelitit COBE të lëshuar nga NASA në vitin 1988. Rezultatet e J. Mather dhe J. Smoot konfirmuan origjinën e universit si rezultat i Big Bengut. Dallimi jashtëzakonisht i vogël në temperaturën e rrezatimit të sfondit kozmik ΔT/T ~ 10 -4 është dëshmi e mekanizmit të formimit të galaktikave dhe yjeve.
|
J. Mather (l. 1946) |
 J. Smoot (l. 1945) |
Oriz. 52. Spektri i trupit të zi të rrezatimit relikt.
Rrezatimi relikt (ose rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës) u zbulua në vitin 1965 nga A. Penzias dhe R. Wilson. Në një fazë të hershme të evolucionit të Universit, materia ishte në gjendjen e plazmës. Një medium i tillë është i errët për rrezatimin elektromagnetik - ka një shpërndarje intensive të fotoneve nga elektronet dhe protonet. Kur Universi u fto deri në 3000 K, elektronet dhe protonet u bashkuan në atome neutrale të hidrogjenit dhe mjedisi u bë transparent ndaj fotoneve. Në atë kohë, mosha e Universit ishte 300,000 vjet, kështu që CMB ofron informacione për gjendjen e Universit në atë epokë. Në atë kohë, universi ishte praktikisht homogjen. Inhomogjenitetet e Universit përcaktohen nga johomogjeniteti i temperaturës së rrezatimit relikt. Ky inhomogjenitet është ΔT/T ≈ 10 -4 −10 -5 . Inhomogjenitetet e rrezatimit relikt janë dëshmitarë të johomogjeniteteve të Universit: yjet e parë, galaktikat, grupimet e galaktikave. Me zgjerimin e Universit, gjatësia e valës së rrezatimit të sfondit u rrit Δλ/λ = ΔR/R, dhe aktualisht gjatësia e valës së rrezatimit të sfondit është në intervalin e valëve të radios, temperatura e rrezatimit të sfondit është T = 2,7 K.
Oriz. 53. Anizotropia e rrezatimit relikt. Më shumë ngjyrë të errët tregohen rajone të spektrit të rrezatimit relikt me temperaturë më të lartë.
J. Mather: “Në fillim ishte Big Bengu−kështu që tani flasim me shumë besim. Sateliti COBE, i propozuar si projekt në vitin 1974 në Agjencia Kombëtare Administrata e Aeronautikës dhe Hapësirës (NASA) dhe e lëshuar në vitin 1989, siguroi prova shumë të forta për këtë: rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës (CMBR, ose CMB) ka një spektër pothuajse ideal të trupit të zi me temperaturë.
2,725 ± 0,001 K, dhe ky rrezatim është izotropik (i njëjtë në të gjitha drejtimet) me një devijim standard relativ prej jo më shumë se 10 për milion në shkallë këndore prej 7° ose më shumë. Ky rrezatim interpretohet si një gjurmë e një faze të hershme jashtëzakonisht të nxehtë dhe të dendur në evolucionin e universit. Në një fazë kaq të nxehtë dhe të dendur, krijimi dhe shkatërrimi i fotoneve, si dhe vendosja e ekuilibrit midis tyre dhe me të gjitha format e tjera të materies dhe energjisë, do të ndodhte shumë shpejt në krahasim me shkallën kohore karakteristike të zgjerimit të universit. . Një gjendje e tillë do të prodhonte menjëherë rrezatim të trupit të zi. Universi në zgjerim duhet të ruajë natyrën e trupit të zi të këtij spektri, kështu që matja e çdo devijim të rëndësishëm nga spektri ideal i rrezatimit të trupit të zi ose do të zhvlerësonte të gjithë idenë e Big Bengut ose do të tregonte se njëfarë energjie iu shtua CMBR pas ekuilibrit të shpejtë krijuar (p.sh. nga prishja e disa grimcave primare). Fakti që ky rrezatim është izotropik në një shkallë kaq të lartë është një dëshmi kryesore se ai vjen nga Big Bengu.
Oriz. 54. Robert Wilson dhe Arno Penzias në antenë, e cila u regjistrua rrezatimi relikt.
J. Smoot: “Sipas teorisë së universit të nxehtë, rrezatimi relikt është rrezatimi i mbetur që u formua në fazat më të hershme të temperaturës së lartë të evolucionit të Universit në momente afër fillimit të zgjerimit të Universit modern 13.7 miliardë vjet më parë. . Vetë CMB mund të përdoret si një mjet i fuqishëm për matjen e dinamikës dhe gjeometrisë së universit. Rrezatimi relikt u zbulua nga Penzias dhe Wilson në Laborator. Bella në vitin 1964
Ata zbuluan një rrezatim izotropik konstant me një temperaturë termodinamike prej rreth 3.2 K. Në të njëjtën kohë, fizikanët në Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson dhe Roll) po zhvillonin një eksperiment për të matur CMB, të parashikuar nga teoria e universit të nxehtë. Zbulimi aksidental i CMB nga Penzias dhe Wilson çoi në një epokë të re në kozmologji, duke filluar transformimin e saj nga mit dhe spekulime në një fushë të plotë shkencore.
Zbulimi i anizotropisë së temperaturës së rrezatimit të sfondit kozmik ka revolucionarizuar kuptimin tonë për universin dhe kërkime moderne vazhdojnë revolucionin në kozmologji. Ndërtimi i spektrit këndor të fuqisë së luhatjeve të temperaturës RR me një pllajë, maja akustike dhe një fund të lagur me frekuencë të lartë çoi në miratimin e standardit modeli kozmologjik, në të cilën gjeometria e hapësirës është e sheshtë (korrespondon me densitetin kritik), energji e errët dhe materia e errët dominon dhe ka vetëm një materie të vogël të zakonshme. Sipas këtij modeli të vërtetuar me sukses, struktura e vëzhgueshme e universit u formua nga paqëndrueshmëria gravitacionale, e cila përforcoi luhatjet kuantike të krijuara në një epokë shumë të hershme inflacioniste. Vëzhgimet aktuale dhe të ardhshme do të testojnë këtë model dhe do të përcaktojnë parametrat kryesorë kozmologjikë me saktësi dhe rëndësi të jashtëzakonshme.”
Rrezatimi elektromagnetik kozmik që vjen në Tokë nga të gjitha anët e qiellit me përafërsisht të njëjtin intensitet dhe ka një spektër karakteristik të rrezatimit të trupit të zi në një temperaturë prej rreth 3 K (3 gradë në shkallën absolute Kelvin, që korrespondon me -270 ° C ). Në këtë temperaturë, pjesa kryesore e rrezatimit bie në valët e radios të intervaleve centimetra dhe milimetra. Dendësia e energjisë e rrezatimit relikt është 0,25 eV/cm 3 .
Astronomët eksperimentalë të radios preferojnë ta quajnë këtë rrezatim "sfondi kozmik mikrovalor" (CMB). Astrofizikanët teorikë shpesh e quajnë atë "rrezatim relikt" (termi u propozua nga astrofizikani rus I.S. Shklovsky), pasi, në kuadrin e teorisë së Universit të nxehtë të pranuar përgjithësisht sot, ky rrezatim u ngrit në një fazë të hershme të zgjerimit tonë. botë, kur substanca e saj ishte praktikisht homogjene dhe shumë e nxehtë. Ndonjëherë në literaturën shkencore dhe popullore mund të gjesh edhe termin "rrezatim kozmik me tre shkallë". Në vijim këtë rrezatim do ta quajmë “relike”.
Zbulimi në vitin 1965 i rrezatimit relikt ishte i një rëndësie të madhe për kozmologjinë; u bë një nga arritjet më të rëndësishme të shkencës natyrore në shekullin e 20-të. dhe, deri tani, më e rëndësishmja për kozmologjinë pas zbulimit të zhvendosjes së kuqe në spektrat e galaktikave. Rrezatimi i dobët relikt na sjell informacion për momentet e para të ekzistencës së Universit tonë, për atë epokë të largët kur i gjithë Universi ishte i nxehtë dhe nuk kishte ende planetë, yje, galaktika. Matjet e hollësishme të këtij rrezatimi të kryera vitet e fundit me ndihmën e observatorëve tokësorë, stratosferikë dhe hapësinorë heqin velin mbi misterin e vetë lindjes së Universit.
teoria e universit të nxehtë. Në vitin 1929, astronomi amerikan Edwin Hubble (1889-1953) zbuloi se shumica e galaktikave po largohen prej nesh dhe sa më shpejt aq më larg është galaktika (ligji i Hubble). Kjo është interpretuar si një zgjerim i përgjithshëm i universit që filloi rreth 15 miliardë vjet më parë. U ngrit pyetja se si dukej universi në të kaluarën e largët, kur galaktikat sapo kishin filluar të largoheshin nga njëra-tjetra, madje edhe më herët. Megjithëse aparati matematik i bazuar në teorinë e përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit dhe që përshkruan dinamikën e universit u krijua në vitet 1920 nga Willem de Sitter (1872-1934), Alexander Friedmann (1888-1925) dhe Georges Lemaitre (1894-1894), për gjendjen fizike nuk dihej asgjë për gjendjen e Universit në epokën e hershme të evolucionit të tij. Nuk kishte as siguri se kishte një moment të caktuar në historinë e universit që mund të konsiderohej "fillimi i zgjerimit".
Zhvillimi i fizikës bërthamore në vitet 1940 lejoi zhvillimin e modeleve teorike të evolucionit të universit në të kaluarën, kur materia e tij supozohej të ngjeshej në një densitet të lartë, në të cilin reaksionet bërthamore ishin të mundshme. Këto modele, para së gjithash, supozohej të shpjegonin përbërjen e materies së Universit, e cila deri në atë kohë tashmë ishte matur në mënyrë mjaft të besueshme nga vëzhgimet e spektrave të yjeve: mesatarisht, ato përbëhen nga 2/3 e hidrogjenit dhe 1/3 e heliumit, dhe të gjithë elementët e tjerë kimikë të marrë së bashku përbëjnë jo më shumë se 2%. Njohja e vetive të grimcave intranukleare - protoneve dhe neutroneve - bëri të mundur llogaritjen e opsioneve për fillimin e zgjerimit të universit, duke ndryshuar në përmbajtjen fillestare të këtyre grimcave dhe temperaturën e substancës dhe rrezatimin që është në ekuilibër termodinamik. me të. Secili prej varianteve dha përbërjen e vet të substancës fillestare të Universit.
Nëse i lëmë detajet, atëherë ekzistojnë dy mundësi thelbësisht të ndryshme për kushtet në të cilat vazhdoi fillimi i zgjerimit të Universit: substanca e tij mund të jetë ose e ftohtë ose e nxehtë. Pasojat e reaksioneve bërthamore janë thelbësisht të ndryshme nga njëra-tjetra. Megjithëse ideja e mundësisë së një të kaluare të nxehtë të Universit u shpreh në veprat e tij të hershme nga Lemaitre, historikisht, mundësia e një fillimi të ftohtë u konsiderua për herë të parë në vitet 1930.
Në supozimet e para, besohej se e gjithë lënda e Universit ekzistonte në fillim në formën e neutroneve të ftohtë. Më vonë doli se një supozim i tillë bie ndesh me vëzhgimet. Fakti është se një neutron në gjendje të lirë prishet mesatarisht 15 minuta pas shfaqjes së tij, duke u shndërruar në një proton, një elektron dhe një antineutrino. Në një univers në zgjerim, protonet që rezultojnë do të fillonin të kombinoheshin me neutronet e mbetura, duke formuar bërthamat e atomeve të deuteriumit. Më tej, një zinxhir reaksionesh bërthamore do të çonte në formimin e bërthamave të atomeve të heliumit. Bërthamat atomike më komplekse, siç tregojnë llogaritjet, praktikisht nuk lindin në këtë rast. Si rezultat, e gjithë lënda do të shndërrohej në helium. Një përfundim i tillë është në kundërshtim të fortë me vëzhgimet e yjeve dhe materies ndëryjore. Prevalenca e elementeve kimike në natyrë hedh poshtë hipotezën e fillimit të zgjerimit të materies në formën e neutroneve të ftohtë.
Në vitin 1946 në Shtetet e Bashkuara, një version "i nxehtë" i fazave fillestare të zgjerimit të Universit u propozua nga fizikani me origjinë ruse Georgy Gamov (1904-1968). Në vitin 1948, u botua puna e bashkëpunëtorëve të tij, Ralph Alfer dhe Robert Herman, në të cilën u morën parasysh reaksionet bërthamore në lëndën e nxehtë në fillim të zgjerimit kozmologjik për të marrë raportin e vëzhguar aktualisht midis numrit të elementeve të ndryshëm kimikë dhe tyre. izotopet. Në ato vite, dëshira për të shpjeguar origjinën e të gjithë elementëve kimikë me sintezën e tyre në momentet e para të evolucionit të materies ishte e natyrshme. Fakti është se në atë kohë ata e vlerësuan gabimisht kohën që kishte kaluar që nga fillimi i zgjerimit të Universit si vetëm 2-4 miliardë vjet. Kjo ishte për shkak të vlerës së mbivlerësuar të konstantës Hubble, e cila pasoi në ato vite nga vëzhgimet astronomike.
Duke krahasuar moshën e Universit në 2-4 miliardë vjet me moshën e vlerësuar të Tokës - rreth 4 miliardë vjet - ishte e nevojshme të supozohej se Toka, Dielli dhe yjet u formuan nga lënda primare me një përbërje kimike të gatshme. . Besohej se kjo përbërje nuk ndryshoi në ndonjë mënyrë domethënëse, pasi sinteza e elementeve në yje është një proces i ngadaltë dhe nuk kishte kohë për zbatimin e tij para formimit të Tokës dhe trupave të tjerë.
Rishikimi i mëvonshëm i shkallës së distancave jashtëgalaktike çoi gjithashtu në një rishikim të moshës së Universit. Teoria e evolucionit yjor shpjegon me sukses origjinën e të gjithë elementëve të rëndë (më të rëndë se heliumi) nga nukleosinteza e tyre në yje. Nuk kishte nevojë të shpjegohej prejardhja e të gjithë elementëve, përfshirë ato të rënda, në një fazë të hershme të zgjerimit të Universit. Sidoqoftë, thelbi i hipotezës së universit të nxehtë doli të ishte i saktë.
Nga ana tjetër, bollëku i heliumit në yje dhe gaz ndëryjor është rreth 30% në masë. Kjo është shumë më tepër sesa mund të shpjegohet me reaksionet bërthamore në yje. Kjo do të thotë që heliumi, ndryshe nga elementët e rëndë, duhet të sintetizohet në fillim të zgjerimit të Universit, por në të njëjtën kohë - në një sasi të kufizuar.
Ideja kryesore e teorisë së Gamow është pikërisht se temperatura e lartë e materies parandalon shndërrimin e të gjithë materies në helium. Në momentin 0,1 sek pas fillimit të zgjerimit, temperatura ishte rreth 30 miliardë K. Në një substancë kaq të nxehtë ka shumë fotone me energji të lartë. Dendësia dhe energjia e fotoneve janë aq të larta sa drita ndërvepron me dritën, duke çuar në krijimin e çifteve elektron-pozitron. Asgjësimi i çifteve, nga ana tjetër, mund të çojë në prodhimin e fotoneve, si dhe në prodhimin e çifteve të neutrinos dhe antineutrinos. Në këtë "kazan që zien" është materie e zakonshme. Në temperatura shumë të larta, bërthamat komplekse atomike nuk mund të ekzistojnë. Ato do të thyheshin menjëherë nga grimcat energjike përreth. Prandaj, grimcat e rënda të materies ekzistojnë në formën e neutroneve dhe protoneve. Ndërveprimet me grimcat energjike bëjnë që neutronet dhe protonet të kthehen shpejt në njëri-tjetrin. Sidoqoftë, reagimet e kombinimit të neutroneve me protonet nuk ndodhin, pasi bërthama e deuteriumit që rezulton shpërbëhet menjëherë nga grimcat me energji të lartë. Pra, për shkak të temperaturës së lartë që në fillim, zinxhiri që çon në formimin e heliumit prishet.
Vetëm derisa zgjerimi i universit të ftohet nën një miliard kelvin, një pjesë e deuteriumit që rezulton është ruajtur tashmë dhe çon në shkrirjen e heliumit. Llogaritjet tregojnë se temperatura dhe dendësia e materies mund të rregullohen në mënyrë që në këtë kohë fraksioni i neutroneve në lëndë të jetë rreth 15% në masë. Këto neutrone kombinohen me të njëjtin numër protonesh për të formuar rreth 30% helium. Grimcat e mbetura të rënda mbetën në formën e protoneve - bërthamat e atomeve të hidrogjenit. Reaksionet bërthamore përfundojnë pas pesë minutave të para pas fillimit të zgjerimit të universit. Në të ardhmen, ndërsa Universi zgjerohet, temperatura e materies dhe rrezatimit të tij ulet. Nga veprat e Gamow, Alpher dhe Herman në 1948, vijoi: nëse teoria e universit të nxehtë parashikon shfaqjen e 30% helium dhe 70% hidrogjen si elementët kryesorë kimikë të natyrës, atëherë Universi modern duhet të mbushet në mënyrë të pashmangshme me një mbetje ("relike") e rrezatimit të nxehtë primitiv, dhe temperatura aktuale e këtij rrezatimi të sfondit duhet të jetë rreth 5 K.
Sidoqoftë, analiza e varianteve të ndryshme të fillimit të zgjerimit kozmologjik nuk përfundoi me hipotezën Gamow. Në fillim të viteve 1960, një përpjekje e zgjuar për t'u rikthyer në versionin e ftohtë u bë nga Ya.B. Zeldovich, i cili sugjeroi se lënda origjinale e ftohtë përbëhej nga protone, elektrone dhe neutrinos. Siç tregoi Zeldovich, një përzierje e tillë shndërrohet në hidrogjen të pastër pas zgjerimit. Heliumi dhe elementët e tjerë kimikë, sipas kësaj hipoteze, u sintetizuan më vonë, kur u formuan yjet. Vini re se në këtë kohë, astronomët tashmë e dinin se Universi ishte disa herë më i vjetër se Toka dhe shumica e yjeve rreth nesh, dhe të dhënat mbi bollëkun e heliumit në lëndën parayjore ishin ende shumë të pasigurta në ato vite.
Duket se kërkimi i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës mund të bëhet testi vendimtar për zgjedhjen midis modeleve të ftohta dhe të nxehta të Universit. Por për disa arsye, për shumë vite pas parashikimit të Gamow dhe kolegëve të tij, askush me vetëdije nuk u përpoq ta zbulonte këtë rrezatim. Ai u zbulua krejt rastësisht në vitin 1965 nga radiofizianët e kompanisë amerikane "Bell" R. Wilson dhe A. Penzias, të cilët u nderuan me çmimin Nobel në 1978.
Në rrugën drejt zbulimit të rrezatimit relikt. Në mesin e viteve 1960, astrofizikanët vazhduan të studionin teorikisht modelin e nxehtë të universit. Llogaritja e karakteristikave të pritshme të CMB u krye në 1964 nga A.G. Doroshkevich dhe I.D. Novikov në BRSS dhe në mënyrë të pavarur nga F. Hoyle dhe R.J. Taylor në Britaninë e Madhe. Por këto vepra, si puna e mëparshme e Gamow dhe kolegëve të tij, nuk tërhoqën vëmendjen. Por ata tashmë kanë treguar bindshëm se rrezatimi relikt mund të vërehet. Pavarësisht dobësisë ekstreme të këtij rrezatimi në epokën tonë, ai për fat të mirë qëndron në atë rajon të spektrit elektromagnetik ku të gjitha burimet e tjera kozmike në tërësi rrezatojnë edhe më dobët. Prandaj, një kërkim i synuar për sfondin kozmik të mikrovalës duhet të kishte çuar në zbulimin e tij, por astronomët e radios nuk dinin për të.
Ja çfarë tha A. Penzias në leksionin e tij Nobel: “Njohja e parë e botuar e CMB si një fenomen i dallueshëm në rrezen e radios u shfaq në pranverën e vitit 1964 në një artikull të shkurtër nga A.G. Doroshkevich dhe I.D. Novikov, me titull Dendësia mesatare e rrezatimit në Metagalaksi dhe disa pyetje të kozmologjisë relativiste. Edhe pse një përkthim në anglisht u shfaq në të njëjtin vit, por disi më vonë, në revistën e njohur Sovetskaya Fizika - Doklady, artikulli me sa duket nuk tërhoqi vëmendjen e specialistëve të tjerë të kësaj fushe. Ky punim i shkëlqyer jo vetëm që nxjerr spektrin e CMB si një fenomen i valës së trupit të zi, por gjithashtu fokusohet qartë në reflektorin e bririt prej njëzet këmbësh të Bell Labs në Crawford Hill si instrumenti më i përshtatshëm për zbulimin e tij!” (cituar nga: Sharov A.S., Novikov I.D. Njeriu që zbuloi shpërthimin e universit: Jeta dhe vepra e Edwin Hubble M., 1989).
Fatkeqësisht, ky artikull kaloi pa u vënë re as nga teoricienët, as nga vëzhguesit; nuk stimuloi kërkimin e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Historianët e shkencës ende pyesin pse për shumë vite askush nuk u përpoq të kërkonte me vetëdije rrezatim nga Universi i nxehtë. Është kurioze që ka kaluar ky zbulim - një nga më të mëdhenjtë e shekullit të 20-të. - shkencëtarët kaluan disa herë pa e vënë re.
Për shembull, rrezatimi relikt mund të ishte zbuluar që në vitin 1941. Pastaj astronomi kanadez E. McKellar analizoi linjat e absorbimit të shkaktuara në spektrin e yllit Zeta Ophiuchus nga molekulat ndëryjore të cianidit. Ai arriti në përfundimin se këto linja në rajonin e dukshëm të spektrit mund të lindin vetëm kur drita absorbohet nga molekulat rrotulluese të cianit, dhe rrotullimi i tyre duhet të ngacmohet nga rrezatimi me një temperaturë prej rreth 2.3 K. Sigurisht, askush nuk mund të ketë mendohej atëherë se ngacmimi i niveleve rrotulluese të këtyre molekulave shkaktohet nga rrezatimi relikt. Vetëm pas zbulimit të tij në 1965 u botuan veprat e I.S. Shklovsky, J. Field dhe të tjerë, në të cilat u tregua se ngacmimi i rrotullimit të molekulave ndëryjore të cianit, linjat e të cilave vërehen qartë në spektrat e shumë yjeve, shkaktohet pikërisht nga rrezatimi relikt.
Një histori edhe më dramatike ndodhi në mesin e viteve 1950. Pastaj shkencëtari i ri T.A. Shmaonov, nën drejtimin e astronomëve të famshëm sovjetikë të radios S.E. Khaikin dhe N.L. Kaidanovsky, mati emetimin e radios nga hapësira në një gjatësi vale prej 32 cm. Këto matje u bënë duke përdorur një antenë me bri të ngjashme me atë të përdorur shumë vite më vonë nga Penzias dhe Wilson. Shmaonov studioi me kujdes ndërhyrjen e mundshme. Natyrisht, në atë kohë ai nuk kishte në dispozicion marrës kaq të ndjeshëm siç kishin amerikanët më vonë. Rezultatet e matjeve të Shmaonov u botuan në vitin 1957 në tezën e doktoraturës dhe në revistën Devices and Experimental Technique. Përfundimi nga këto matje ishte si vijon: "Doli se vlera absolute e temperaturës efektive të emetimit të radios në sfond ... është e barabartë me 4 ± 3 K." Shmaonov vuri në dukje pavarësinë e intensitetit të rrezatimit nga drejtimi në qiell dhe nga koha. Megjithëse gabimet e matjes ishin të mëdha dhe nuk ka nevojë të flitet për ndonjë besueshmëri të figurës 4, tani është e qartë për ne që Shmaonov mati saktësisht rrezatimin kozmik të sfondit të mikrovalës. Fatkeqësisht, as ai dhe as astronomët e tjerë të radios nuk dinin asgjë për mundësinë e ekzistencës së rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor dhe nuk i kushtuan rëndësinë e duhur këtyre matjeve.
Më në fund, rreth vitit 1964, fizikani i njohur eksperimental nga Princeton (SHBA) Robert Dicke iu afrua me vetëdije këtij problemi. Megjithëse arsyetimi i tij bazohej në teorinë e një universi "luhatës" që përjeton vazhdimisht zgjerimin dhe tkurrjen, Dicke e kuptoi qartë nevojën për të kërkuar për CMB. Me iniciativën e tij, në fillim të vitit 1965, teoricieni i ri F. J. E. Peebles kreu llogaritjet e nevojshme dhe P. G. Roll dhe D. T. Wilkinson filluan të ndërtonin një antenë të vogël me zhurmë të ulët në çatinë e Laboratorit të Fizikës Palmer në Princeton. Për të kërkuar rrezatimin e sfondit, nuk është e nevojshme të përdorni teleskopë të mëdhenj radio, pasi rrezatimi vjen nga të gjitha drejtimet. Asgjë nuk përfitohet nga fakti se një antenë e madhe fokuson rrezen në një zonë më të vogël të qiellit. Por grupi i Dicke nuk pati kohë për të bërë zbulimin e planifikuar: kur pajisjet e tyre ishin tashmë gati, atyre iu desh vetëm të konfirmonin zbulimin, i bërë aksidentalisht nga të tjerët një ditë më parë.
Pavarësisht përdorimit të pajisjeve moderne dhe metodat më të fundit Studimi i Universit, çështja e paraqitjes së tij është ende e hapur. Kjo nuk është për t'u habitur, duke pasur parasysh moshën e saj: sipas të dhënave të fundit, ajo është nga 14 në 15 miliardë vjet. Është e qartë se që atëherë ka pasur shumë pak prova të proceseve dikur madhështore të shkallës Universale. Prandaj, askush nuk guxon të pohojë asgjë, duke u kufizuar në hipoteza. Sidoqoftë, një prej tyre kohët e fundit ka marrë një argument shumë domethënës - rrezatim relikt.
Në vitin 1964, dy punonjës të një laboratori të njohur, të cilët kryenin monitorim radio të satelitit Echo, duke pasur akses në pajisjet e duhura ultra të ndjeshme, vendosën të testonin disa nga teoritë e tyre në lidhje me emetimin e radios së vet të disa objektet hapësinore.
Për të eliminuar ndërhyrjet e mundshme nga burimet tokësore, u vendos që të përdorej 7,35 cm.Megjithatë, pas ndezjes dhe akordimit të antenës, u regjistrua një fenomen i çuditshëm: një zhurmë e caktuar, një komponent konstant i sfondit, u regjistrua në të gjithë Universin. Nuk varej nga pozicioni i Tokës në raport me planetët e tjerë, gjë që eliminoi menjëherë supozimin e këtyre ndërhyrjeve radio ose kohën e ditës. As R. Wilson dhe as A. Penzias nuk e kishin marrë me mend se kishin zbuluar rrezatimin kozmik të sfondit të mikrovalës.
Meqenëse asnjëri prej tyre nuk e priste këtë, duke ia atribuar "sfondin" veçorive të pajisjeve (mjafton të kujtojmë se antena e mikrovalës e përdorur ishte më e ndjeshme në atë kohë), kaloi pothuajse një vit i tërë para se të bëhej e qartë se zhurma e regjistruar është pjesë e vetë Universit. Intensiteti i sinjalit të radios të kapur doli të jetë pothuajse identik me intensitetin e rrezatimit në një temperaturë prej 3 Kelvin (1 Kelvin është e barabartë me -273 gradë Celsius). Për krahasim: zero sipas Kelvin korrespondon me temperaturën e një objekti atomesh të palëvizshëm. është në intervalin nga 500 MHz deri në 500 GHz.
Në këtë kohë, dy teoricienë nga Universiteti Princeton- R. Dicke dhe D. Pibbles, bazuar në modelet e reja të zhvillimit të Universit, llogaritën matematikisht se një rrezatim i tillë duhet të ekzistojë dhe të përshkojë të gjithë hapësirën. Eshtë e panevojshme të thuhet se Penzias, i cili rastësisht mësoi për leksionet mbi këtë temë, kontaktoi universitetin dhe raportoi se sfondi kozmik i mikrovalës ishte regjistruar.
Në bazë të teorisë Big Bang, e gjithë materia dhe u ngrit si rezultat i një shpërthimi kolosal. Për 300 mijë vitet e para pas kësaj, hapësira ishte një kombinim i grimcave elementare dhe rrezatimit. Më pas, për shkak të zgjerimit, temperaturat filluan të bien, gjë që bëri të mundur shfaqjen e atomeve. Rrezatimi relikt i regjistruar është një jehonë e atyre kohërave të largëta. Për sa kohë që universi kishte kufij, dendësia e grimcave ishte aq e lartë sa rrezatimi ishte "bashkuar", sepse masa e grimcave reflektonte çdo lloj valë, duke i penguar ato të përhapeshin. Dhe vetëm pas fillimit të formimit të atomeve, hapësira u bë "transparente" për valët. Besohet se rrezatimi relikt u shfaq në këtë mënyrë. NË aktualishtçdo centimetër kub i hapësirës përmban rreth 500 kuanta fillestare, megjithëse energjia e tyre është ulur me gati 100 herë.
Rrezatimi relikt në pjesë të ndryshme të universit ka temperatura të ndryshme. Kjo është për shkak të vendndodhjes së materies parësore në universin në zgjerim. Aty ku dendësia e atomeve të materies së ardhshme ishte më e lartë, përqindja e rrezatimit dhe si rrjedhim temperatura e tij u zvogëlua. Ishte në këto drejtime që objektet e mëdha (galaktikat dhe grupimet e tyre) u formuan më pas.
Studimi i rrezatimit relikt heq velin e pasigurisë mbi shumë procese që ndodhin në fillim të kohës.
