Rrezatimi CMB-kozmike rrezatimi elektromagnetik me një shkallë të lartë izotropie dhe me një spektër karakteristik të një trupi absolutisht të zi me një temperaturë? 2.725 K. CMB u parashikua nga G. Gamow, R. Alpher dhe R. Hermann në 1948 bazuar në teorinë e parë të Big Bengut që ata krijuan. Alfer dhe Herman ishin në gjendje të përcaktonin se temperatura e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës duhet të jetë 5 K, dhe Gamow bëri një parashikim në 3 K. Edhe pse disa vlerësime të temperaturës së hapësirës ekzistonin më parë, ato kishin disa mangësi. Së pari, këto ishin matje vetëm të temperaturës efektive të hapësirës, ​​nuk supozohej se spektri i rrezatimit i bindet ligjit të Plankut. Së dyti, ata vareshin nga vendndodhja jonë e veçantë në skajin e Galaktikës dhe nuk supozonin se rrezatimi ishte izotropik. Për më tepër, ato do të jepnin rezultate krejtësisht të ndryshme nëse Toka do të ndodhej diku tjetër në Univers. As vetë G. Gamow dhe as shumë nga ndjekësit e tij nuk ngritën çështjen e zbulimit eksperimental të rrezatimit të sfondit të mikrovalës kozmike. Me sa duket, ata besonin se ky rrezatim nuk mund të zbulohej, pasi ai "mbytet" në rrjedhat e energjisë të sjellë në tokë nga rrezatimi i yjeve dhe rrezet kozmike.

Mundësia e zbulimit të rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës kundër rrezatimit të sfondit të galaktikave dhe yjeve në rajonin e valëve radio centimetër u vërtetua nga llogaritjet nga A.G. Doroshkevich dhe I.D. Novikov, e kryer me sugjerimin e Ya.B. Zeldovich në vitin 1964, d.m.th. një vit para zbulimit të A. Pepzias dhe R. Wilson.

Në vitin 1965, Arno Penzias dhe Robert Woodrow Wilson ndërtuan një radiometër Dicke, të cilin synonin ta përdornin jo për të kërkuar rrezatimin e sfondit të mikrovalës kozmike, por për eksperimente në astronominë radio dhe komunikimet satelitore. Gjatë kalibrimit të pajisjes, doli që antena kishte një temperaturë të tepërt prej 3.5 K të cilën ata nuk mund ta shpjegonin. Sfondi i lehtë i zhurmës nuk ndryshoi as nga drejtimi, as nga koha e funksionimit. Në fillim ata vendosën që ishte zhurmë e natyrshme në pajisje. Radioteleskopi u çmontua dhe "mbushja" e tij u testua vazhdimisht. Krenaria e inxhinierëve u lëndua, prandaj kontrolli vazhdoi deri në detajin e fundit, deri në saldimin e fundit. Gjithçka u eliminua. Ata e mblodhën përsëri - zhurma rifilloi. Pas shumë diskutimesh, teoricienët arritën në përfundimin se ky rrezatim nuk mund të ishte asgjë më shumë se një sfond i vazhdueshëm i emetimit të radios kozmike që mbush Universin në një rrjedhë të qëndrueshme. Duke marrë një telefonatë nga Holdmdale, Dicke tha: "Ne arritëm jackpotin, djema." Një takim midis ekipeve të Princeton dhe Holmdale përcaktoi se temperatura e antenës ishte shkaktuar nga rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës. Astrofizikanët llogaritën se zhurma korrespondon me një temperaturë prej rreth 3 gradë Kelvin dhe është "e dëgjueshme në frekuenca të ndryshme. Në 1978, Penzias dhe Wilson morën Çmimin Nobel për zbulimin e tyre. Mund të imagjinohet sesi u gëzuan mbështetësit e modeles “hot” kur mbërriti ky mesazh. Ky zbulim jo vetëm që forcoi pozicionin e modelit "të nxehtë". Rrezatimi relikt bëri të mundur zbritjen nga hapi kohor i kuasarëve (8-10 miliardë vjet) në një hap që korrespondon me 300 mijë vjet nga vetë "fillimi". Në të njëjtën kohë, u konfirmua ideja se Universi dikur kishte një densitet një miliard herë më të lartë se sa është tani. Dihet se lënda e nxehtë lëshon gjithmonë fotone. Sipas ligjet e përgjithshme termodinamika, kjo tregon dëshirën për gjendje ekuilibri, në të cilën arrihet ngopja: kompensohet krijimi i fotoneve të reja procesi i kundërt, përthithja e fotoneve nga materia, në mënyrë që numri i përgjithshëm i fotoneve në mjedis të mos ndryshojë. Ky "gaz foton" mbush në mënyrë uniforme të gjithë Universin. Temperatura e gazit të fotonit është afër zeros absolute - rreth 3 Kelvin, por energjia që përmbahet në të është më e madhe se energjia e dritës e emetuar nga të gjithë yjet gjatë jetës së tyre. Për secilin centimetër kub në hapësirën e Universit ka rreth pesëqind kuanta rrezatimi, dhe numri i përgjithshëm i fotoneve brenda univers i dukshëm disa miliarda herë më shumë numri i plotë grimcat e materies, d.m.th. atomet, bërthamat, elektronet që përbëjnë planetët, yjet dhe galaktikat. Ky rrezatim i përgjithshëm i sfondit të Universit quhet me dorë të lehtë nga I.S. Shklovsky, relikt, d.m.th. mbetje, e cila është një mbetje, një relike e gjendjes fillestare të dendur dhe të nxehtë të Universit. Duke supozuar se lënda e Universit të hershëm ishte e nxehtë, G. Gamow parashikoi se fotonet, të cilat atëherë ishin në ekuilibër termodinamik me lëndën, duhet të ruhen në epokës moderne. Këto fotone u zbuluan drejtpërdrejt në vitin 1965. Duke përjetuar zgjerim të përgjithshëm dhe ftohje të lidhur, gazi i fotoneve tani formon rrezatimin e sfondit të Universit, duke ardhur tek ne në mënyrë të barabartë nga të gjitha drejtimet. Kuanti i sfondit kozmik të mikrovalës nuk ka një masë pushimi, si çdo kuantë e rrezatimit elektromagnetik, por ka energji, dhe për këtë arsye, sipas formulës së famshme të Ajnshtajnit E=Znj?, dhe masën që i korrespondon kësaj energjie. Për shumicën e kuanteve relikte, kjo masë është shumë e vogël: shumë më pak se masa e një atomi hidrogjeni, elementi më i zakonshëm i yjeve dhe galaktikave. Prandaj, megjithë mbizotërimin e konsiderueshëm në numrin e grimcave, rrezatimi kozmik i sfondit mikrovalor është inferior ndaj yjeve dhe galaktikave për sa i përket kontributit në peshë totale Universi. Në epokën moderne, dendësia e rrezatimit është 3 * 10 -34 g/cm 3, që është afërsisht një mijë herë më pak se dendësia mesatare e materies në galaktika. Por kjo nuk ishte gjithmonë rasti - në të kaluarën e largët të Universit, fotonet dhanë kontributin kryesor në densitetin e tij. Fakti është se gjatë zgjerimit kozmologjik, dendësia e rrezatimit zvogëlohet më shpejt se dendësia e materies. Në këtë proces, jo vetëm që përqendrimi i fotoneve zvogëlohet (me të njëjtën shpejtësi si përqendrimi i grimcave), por zvogëlohet edhe energjia mesatare e një fotoni, pasi temperatura e gazit të fotoneve zvogëlohet gjatë zgjerimit. Gjatë zgjerimit të mëvonshëm të Universit, temperatura e plazmës dhe rrezatimit ranë. Ndërveprimi i grimcave me fotonet nuk kishte më kohë për të ndikuar ndjeshëm në spektrin e emetimit gjatë kohës karakteristike të zgjerimit. Sidoqoftë, edhe në mungesë të plotë të ndërveprimit të rrezatimit me lëndën gjatë zgjerimit të Universit, spektri i rrezatimit të trupit të zi mbetet trup i zi, vetëm temperatura e rrezatimit zvogëlohet. Ndërsa temperatura i ka kaluar 4000 K, lënda parësore ishte plotësisht e jonizuar, diapazoni i fotoneve nga një ngjarje shpërhapëse në tjetrën ishte shumë më pak se horizonti i Universit. Në T ? 4000K protonet dhe elektronet u rikombinuan, plazma u shndërrua në një përzierje të atomeve neutrale të hidrogjenit dhe heliumit dhe Universi u bë plotësisht transparent ndaj rrezatimit. Gjatë zgjerimit të tij të mëtejshëm, temperatura e rrezatimit vazhdoi të bjerë, por natyra e rrezatimit trup zinj u ruajt si një relike, si një "kujtim" i periudha e hershme evolucionin e botës. Ky rrezatim u zbulua fillimisht në një valë prej 7,35 cm, dhe më pas në valë të tjera (nga 0,6 mm në 50 cm).

As yje dhe galaktika radio, as gaz i nxehtë ndërgalaktik, as riemetim dritë e dukshme pluhur ndëryjor nuk mund të prodhojë rrezatim që i afrohet vetive të rrezatimit të sfondit mikrovalor: energjia totale e këtij rrezatimi është shumë e lartë dhe spektri i tij nuk është i ngjashëm me spektrin e yjeve ose spektrin e burimeve të radios. Kjo, si dhe pothuajse mungesë e plotë luhatjet e intensitetit sipas sfera qiellore(luhatjet këndore në shkallë të vogël) origjina kozmologjike, relikte e mikrovalës rrezatimi i sfondit.

Rrezatimi i sfondit është izotropik vetëm në sistemin koordinativ të lidhur me galaktikat "shpërndarëse", në të ashtuquajturat. sistemi referues shoqërues (ky sistem zgjerohet së bashku me Universin). Në çdo sistem tjetër koordinativ, intensiteti i rrezatimit varet nga drejtimi. Ky fakt hap mundësinë e matjes së shpejtësisë së Diellit në raport me sistemin koordinativ të lidhur me rrezatimin e sfondit mikrovalor. Në të vërtetë, për shkak të efektit Doppler, fotonet që përhapen drejt një vëzhguesi në lëvizje kanë një energji më të lartë se ato që e kapin atë, pavarësisht se në një sistem të lidhur me m.f. i., energjitë e tyre janë të barabarta. Prandaj, temperatura e rrezatimit për një vëzhgues të tillë rezulton të varet nga drejtimi. Anizotropia dipole e CMB e lidhur me lëvizjen sistemi diellor në lidhje me fushën e këtij rrezatimi, tani është vendosur fort: në drejtim të yjësisë së Luanit, temperatura e rrezatimit relikt është 3,5 mK më e lartë se mesatarja, dhe në drejtim të kundërt(konstelacioni Ujori) është e njëjta sasi nën mesataren. Rrjedhimisht, Dielli (së bashku me Tokën) lëviz në raport me m.f. Dhe. me një shpejtësi prej rreth 400 km/s drejt konstelacionit të Luanit. Saktësia e vëzhgimeve është aq e lartë saqë eksperimentuesit regjistrojnë shpejtësinë e Tokës rreth Diellit si 30 km/s. Marrja parasysh e shpejtësisë së Diellit rreth qendrës së galaktikës na lejon të përcaktojmë shpejtësinë e galaktikës në raport me rrezatimin e sfondit Është rreth 600 km/s. Spektrofotometër me rreze të gjatë rrezatimi infra të kuqe(FIRAS) i instaluar në satelitin NASA Cosmic Background Explorer (COBE) u krye matje të sakta spektri i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Këto matje ishin matjet më të sakta të spektrit të trupit të zi deri më sot. Shumica harta e detajuar Sfondi kozmik i mikrovalës u ndërtua si rezultat i punës së amerikanit anije kozmike WMAP.

Spektri i rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor që mbush Universin korrespondon me spektrin e rrezatimit nga një trup absolutisht i zi me një temperaturë prej 2.725 K. Maksimumi i tij ndodh në një frekuencë prej 160.4 GHz, që korrespondon me një gjatësi vale prej 1.9 mm. Është izotropik me një saktësi prej 0,001% - devijimi standard temperatura është afërsisht 18 μK. Kjo vlerë nuk merr parasysh anizotropinë e dipolit (diferenca midis rajonit më të ftohtë dhe më të nxehtë është 6,706 mK) të shkaktuar nga zhvendosja e frekuencës Doppler të rrezatimit për shkak të shpejtësisë sonë në lidhje me sistemin koordinativ të lidhur me CMB. Anizotropia e dipolit korrespondon me lëvizjen e sistemit diellor drejt konstelacionit të Virgjëreshës me një shpejtësi prej? 370 km/s.

Zbulimi i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës

Parathënie

RREZATIMI CMB, rrezatimi elektromagnetik kozmik që vjen në Tokë nga të gjitha anët e qiellit me përafërsisht të njëjtin intensitet dhe që 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 vjen nga valët e radios në intervalet centimetra dhe milimetra. Dendësia e energjisë e rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor është 0,25 eV/cm3. Astronomët e radios eksperimentale preferojnë ta quajnë këtë rrezatim "Rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës" (M. f. i.) Sfondi kozmik i mikrovalës, CMB). Astrofizikanët teorikë shpesh e quajnë atë "rrezatimi relikt"(termi u propozua nga astrofizikani rus I.S. Shklovsky), pasi në kuadrin e teorisë përgjithësisht të pranuar sot univers i nxehtë Ky rrezatim e ka origjinën nga faza e hershme zgjerimi i botës sonë, kur substanca e saj ishte pothuajse homogjene dhe shumë e nxehtë. Më poshtë do ta quajmë këtë rrezatim "rrezatim relikt". Zbulimi i rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor në vitin 1965 kishte rëndësi të madhe për kozmologji; u bë një nga arritjet më të rëndësishme shkenca natyrore e shekullit të njëzetë dhe, natyrisht, 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 në të nuk kishte planetë, yje, galaktika. Matjet e hollësishme të këtij rrezatimi të kryera vitet e fundit duke përdorur observatorë me bazë tokësore, stratosferike dhe hapësinore heqin perden mbi misterin e vetë lindjes së Universit.

Zbulimi i CMB

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 Bell Telephone vendosën ta përdorin atë për vëzhgime astronomike në radio. 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 hapësira.

Para së gjithash, ishte planifikuar 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 atmosfera e tokës dhe sipërfaqen e Tokës, si dhe ndërhyrjet që lindin në antenë, qarqet elektrike dhe marrës.

Testet paraprake sistemi marrës tregoi pak më shumë zhurmë sesa pritej nga llogaritjet, por dukej e besueshme se kjo ishte për shkak të një tepricë të lehtë zhurme në qarqet e amplifikimit. Për të hequr qafe këto probleme, Penzias dhe Wilson përdorën një pajisje të njohur si "ngarkesë e ftohtë": sinjali që vjen nga antena krahasohet me sinjalin nga burim artificial, i ftohur me helium të lëngshëm në një temperaturë prej rreth katër gradë më lart zero absolute(4K) . Në të dyja rastet, zhurma elektrike në qarqet e amplifikimit 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 një burim astronomik i valëve të radios brenda fushës së shikimit të antenës. Penzias dhe Wilson prisnin që pajisja e antenës do të prodhonte shumë pak zhurmë elektrike. Megjithatë, për të testuar këtë supozim, ata filluan vëzhgimet e tyre në gjatësi vale relativisht të shkurtra prej 7.35 cm, në të cilat zhurma e radios nga Galaxy duhet të jetë e papërfillshme. Natyrisht, pritej një zhurmë radio në këtë gjatësi vale dhe nga atmosfera e tokës, por kjo zhurmë duhet të ketë një varësi karakteristike nga drejtimi: duhet të jetë proporcionale me trashësinë e atmosferës në drejtimin në të cilin shikon antena: pak më pak. në drejtim të zenitit, pak më shumë në drejtim të horizontit. Pritej që pas zbritjes së termit atmosferik nga varësi karakteristike nga drejtimi nuk do të mbetet asnjë sinjal i rëndësishëm nga antena dhe kjo do të konfirmojë 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 gjata - rreth 21 cm, ku rrezatimi Rruga e Qumështit ka një rëndësi mjaft të dukshme.

Zhurma e mikrovalës

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 një gjatësi vale prej 7.35 cm. Ata zbuluan se ky "sfond statik" nuk ndryshonte në varësi të kohës së ditës dhe më vonë zbuluan se nuk varej nga koha e vitit. Rrjedhimisht, ky nuk mund të ishte rrezatim nga galaktika, sepse në këtë rast intensiteti i tij do të ndryshonte në varësi të faktit nëse antena po shikonte përgjatë rrafshit të Rrugës së Qumështit apo përgjatë saj. Për më tepër, nëse ky do të ishte rrezatimi i Galaxy tonë, atëherë një i madh galaktikë spirale M 31 në Andromeda, i ngjashëm në shumë aspekte me tonin, gjithashtu duhet të kishte emetuar fuqishëm në një gjatësi vale prej 7.35 cm, por kjo nuk u vërejt. Mungesa e ndonjë ndryshimi në drejtimin e zhurmës së vëzhguar të mikrovalës tregoi fuqishëm se këto valë radio, nëse ekzistojnë në të vërtetë, nuk vijnë nga Rruga e Qumështit, por nga në mënyrë të konsiderueshme vëllim më të madh Universi. 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. Veçanërisht dihej se në bririn e antenës po bënte fole një palë pëllumbash. Ata u kapën, u dërguan me postë në sitin Bell në Whippany, u liruan, u rizbuluan disa ditë më vonë në vendin e tyre në antenë, u kapën dhe më në fund u nënshtruan me mjete më drastike. Megjithatë, gjatë marrjes me qira të ambienteve, pëllumbat mbuluan pjesën e brendshme të antenës me atë që Penzias e quajti një "substancë e bardhë dielektrike", e cila në temperaturën e dhomës mund të jetë një burim zhurme 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 një ulje shumë të vogël të nivelit të zhurmës së vëzhguar.

Kur të gjitha burimet e ndërhyrjes u analizuan dhe u morën parasysh me kujdes, Penzias dhe Wilson u detyruan të arrinin në përfundimin se rrezatimi vinte 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" është nga 2.5 në 4.5 kelvin). Duhet të theksohet se ky është një rezultat eksperimental shumë delikat: për shembull, nëse një shirit akulloreje vendosej përpara bririt të antenës, do të shkëlqente në rrezen e radios, 22 milionë herë më e ndritshme se pjesa përkatëse e qiellit. Duke përsiatur rezultat i papritur Penzias dhe Wilson nuk nxitonin të publikonin vëzhgimet e tyre. Por ngjarjet u zhvilluan kundër vullnetit të tyre. Kështu ndodhi që Penzias thirri mikun e tij Bernard Burke nga Instituti i Teknologjisë në Massachusetts për një çështje krejtësisht tjetër. Pak para kësaj, Burke kishte dëgjuar nga kolegu i tij Ken Turner në Institutin Carnegie për një fjalim që ai, nga ana tjetër, kishte dëgjuar në Universitetin Johns Hopkins, të dhënë nga teoricieni i Princetonit, Phil Peebles, duke punuar nën drejtimin e Robert Dicke. Në këtë bisedë, Peebles argumentoi se duhet të ketë zhurmë të radios në sfond të mbetur nga Universi i hershëm që tani ka një temperaturë ekuivalente prej rreth 10 K. Penzias thirri Dicke dhe të dy grupet 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 kishin zbuluar rrezatimin kozmik të sfondit mikrovalor të Universit të 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 e tij - me shpjegimin e tij duke përdorur teorinë e një Universi të nxehtë. Me sa duket të pa bindur plotësisht 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 njoftuan 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, përveçse thanë se "një shpjegim i mundshëm për temperaturën e zhurmës së tepërt të vëzhguar është dhënë nga Dicke, Peebles , Roll dhe Wilkinson në një letër shoqëruese në të njëjtin numër të revistës."

Në vitet në vijim gjatësi të ndryshme Janë bërë matje të shumta të valëve që variojnë nga dhjetëra centimetra deri në një pjesë të milimetrit. Vëzhgimet kanë treguar se spektri i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës korrespondon me formulën e Planck-ut, siç duhet të jetë për rrezatimin me një temperaturë të caktuar. Kjo temperaturë u konfirmua të jetë afërsisht 3 K. U bë një zbulim i jashtëzakonshëm, duke dëshmuar se Universi ishte i nxehtë në fillim të zgjerimit të tij. Ky është rrjeti kompleks i ngjarjeve që kulmuan me zbulimin e Universit të nxehtë nga Penzias dhe Wilson në 1965. Konstatimi i faktit të temperaturës ultra të lartë në fillim të zgjerimit të Universit ishte pikënisje hulumtimi më i rëndësishëm që çon në zbulimin jo vetëm të mistereve astrofizike, por edhe të sekreteve të strukturës së materies. Matjet më të sakta të rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës janë kryer nga hapësira: ky është eksperimenti Relikt në satelitin Sovjetik Prognoz-9 (1983–1984) dhe eksperimenti DMR (Radiometri me mikrovalë diferenciale) në Satelit amerikan COBE (Exploruesi i sfondit kozmik, nëntor 1989–1993) Ishte kjo e fundit që bëri të mundur përcaktimin më të saktë të temperaturës së rrezatimit të sfondit të mikrovalës kozmike: 2,725 ± 0,002 K.

Të nderuar vizitorë!

> Çfarë është rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës?

Hapja rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës: kuptimi i konceptit, teoria e Big Bengut, zgjerimi dhe harta e Universit, lëvizja e dritës në hapësirë, ndikimi i materies së errët.

Rrezatimi CMB– shkëlqimi i mëpasshëm i Big Bengut. Kjo është një nga më prova bindëse se kjo ngjarje ka ndodhur në Univers. Kjo shpjegohet më së miri nga Ned Wright nga Universiteti i Kalifornisë, Los Anxhelos.

Sa i dobishëm është rrezatimi CMB?

"Epo, shumica informacione të dobishme vjen në një nivel të ulët. Kur fillova për herë të parë të studioja astronominë, nuk kishte besim 100% në besueshmërinë e teorisë së Big Bengut. Prandaj, prania e rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor në këtë teori dhe mungesa e tij në teorinë konkurruese mbushën një boshllëk të madh në njohuri.

Përveç kësaj, spektri i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës i ngjan shumë të zezës. Meqenëse ky është një trup i errët, atëherë mund të besojmë se Universi kaloi pa probleme nga errësirë ​​në transparencë. Anizotropia e dipolit të sfondit të mikrovalës ndihmon për të përcaktuar me saktësi faktin që ne po lëvizim në hapësirë. Njëra anë e qiellit është shumë më e nxehtë, dhe tjetra është më e ftohtë, duke lënë të kuptohet temperaturën e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Gjatë llogaritjes, rezulton se ne po lëvizim me një të dhjetën e përqindjes së shpejtësisë së dritës - 370 km/s. Pra, ekziston lëvizja dhe lëvizja jonë nëpër Univers.

Sateliti Planck bëri të mundur marrjen e më shumë informacionit mbi linjat e sfondit të rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Kemi një ndryshim prej 3 milikelvin, pra diferenca në temperaturën e pikës është +/- 100 mikrokunë. Prandaj, ju paraqitet një vizatim i detajuar i një zone me madhësi 1.5 gradë. Ajo krijohet nga akustika valore, të cilat formohen për shkak të çrregullimeve të densitetit në fazat e hershme të zhvillimit të Universit. Ju madje mund të gjurmoni se sa kohë u desh përpara se Universi të bëhej transparent. Dhe kjo informacione të rëndësishme, nëse vendosni të studioni një industri të tillë globale.”

Çfarë na thotë rrezatimi kozmik i sfondit mikrovalor dhe materia e errët?

"CMB ka një model në një shkallë prej 0.5 gradë, duke na dhënë një linjë efektive pozicioni, si lundrimi qiellor. Ju matni një yll me një sekstant dhe merrni një vijë të vendndodhjes tuaj. Por nëse shikoni të njëjtin model (instalimi valë akustike), ju shihni se gjithçka është më lokale në shpërndarjen e galaktikave. Sigurisht, po flasim për për objekte të largëta, por në kozmologji këto janë territore lokale.

Këto galaktika shfaqin të njëjtin model të ngjashëm me valën, dhe ju mund ta matni atë, ta krahasoni me atë që është vërejtur në të kaluarën dhe të merrni një vijë pozicion-prerje. Kjo ndihmon për të përcaktuar vendin tonë në Univers, për të gjetur dhe madje numëruar shumë objekte. Gjithashtu bëhet e qartë se ka energji e errët, që askush nuk mund ta kuptojë ende, por ne e dimë se çfarë veprimesh është në gjendje të bëjë. Në fund të fundit, është pikërisht kjo që përshpejton zgjerimin.” Mund të mësoni shumë gjëra më interesante rreth rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor të Universit (zbulimi, zgjerimi i Universit, shpërthim i madh, redshift, anomali), nëse shikoni videon.

Polarizimi CMB

Fizikani Dmitry Gorbunov për eksperimentin BICEP2, fazën e inflacionit dhe zhvillimin e teorisë së gravitetit:

Anomalitë e CMB

Astrofizikani Oleg Verkhodanov në shumëpole të ulëta, ndikimi i objekteve afër hapësirës në matjet kozmologjike dhe duke marrë parasysh burimet e pazbuluara:

Rrezatimi CMB

Rrezatimi ekstragalaktik i sfondit mikrovalor 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 rrezatimi i sfondit të mikrovalës kozmike, u zbulua në vitin 1965, megjithëse u parashikua në vitet 40 nga George Gamow dhe është studiuar nga astronomët për dekada.

Në Universin në zgjerim, dendësia mesatare e materies varet nga koha - në të kaluarën ishte më e lartë. Megjithatë, gjatë zgjerimit, jo vetëm dendësia ndryshon, por edhe energji termike materie, që do të thotë se në fazën e 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 absolutisht të ngurta, dhe ky rrezatim duhet të jetë brenda shkallën më të lartë izotropike. Në vitin 1964, A.A Penzias dhe R. Wilson, duke testuar një antenë të ndjeshme radio, zbuluan rrezatim shumë të dobët të sfondit të mikrovalës, të cilin ata nuk mund ta heqin qafe në asnjë mënyrë. Temperatura e tij doli të jetë 2.73 K, që është afër vlerës së parashikuar. Nga eksperimentet e izotropisë u tregua se burimi i rrezatimit të sfondit të mikrovalës nuk mund të gjendet brenda galaktikës, pasi atëherë duhet të vërehet një përqendrim i rrezatimit drejt qendrës së galaktikës. Burimi i rrezatimit nuk mund të gjendet brenda sistemit diellor, sepse Do të kishte një ndryshim ditor në intensitetin e rrezatimit. Për shkak të kësaj, u arrit 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 rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor, 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 relikte, dhe ka shumë më pak lëndë për vëllim. Meqenëse raporti i numrit të fotoneve me numrin e barioneve gjatë procesit të zgjerimit është i ruajtur, por energjia e fotonit gjatë zgjerimit të universit zvogëlohet me kalimin e kohës për shkak të zhvendosjes së kuqe, mund të konkludojmë se në një kohë në të kaluarën dendësia e energjisë së rrezatimit ishte më shumë densitet energjia e grimcave të materies. Kjo kohë quhet faza e rrezatimit në evolucionin e Universit. Faza e rrezatimit karakterizohej nga barazia e temperaturës së substancës dhe rrezatimit. Në atë kohë, rrezatimi përcaktoi plotësisht natyrën e zgjerimit të Universit. Rreth një milion vjet pasi filloi zgjerimi i Universit, temperatura ra në disa mijëra gradë dhe u bë një rikombinim 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 zbulojmë dhe e quajmë rrezatim relikt. Vërtetë, që nga ajo kohë, për shkak të zgjerimit të Universit, fotonet e kanë ulur energjinë e tyre me rreth 100 herë. Në mënyrë figurative, kuantet e sfondit të mikrovalës kozmike "ngulitën" epokën e rikombinimit dhe mbartin informacione të drejtpërdrejta për të kaluarën e largët.

Pas rikombinimit, materia filloi të evoluojë në mënyrë të pavarur për herë të parë, pavarësisht nga rrezatimi, dhe dendësitë filluan të shfaqen në të - embrionet e galaktikave të ardhshme dhe grupimet e tyre. Kjo është arsyeja pse eksperimentet për të studiuar vetitë e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës - 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 amerikani Kobe zbuluan ndryshime në temperaturën e rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor të zonave 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 materies 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 ndryshimet e densitetit që më pas çuan në formimin e strukturave në shkallë të gjerë, grupimeve galaktikash dhe galaktikave individuale të vëzhguara në Univers. Nga ide moderne, galaktikat e para duhet të jenë formuar në një epokë që korrespondon me zhvendosjet e kuqe nga 4 në 8.

A ka një 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 që ngadalësoi zgjerimin e Universit. Në këtë fazë, temperatura ndryshonte në përpjesëtim të zhdrejtë me rrënjë katrore nga koha që ka kaluar që nga fillimi i zgjerimit. Le të shqyrtojmë me radhë fazat e ndryshme të zgjerimit të Universit të hershëm.

Në një temperaturë prej afërsisht 1013 Kelvin, çiftet u krijuan dhe u asgjësuan në Univers. grimca të ndryshme dhe antigrimcat: protonet, neutronet, mezonet, elektronet, neutrinot, etj. Kur temperatura u ul në 5*1012 K, pothuajse të gjitha protonet dhe neutronet u asgjësuan, duke u shndërruar në kuanta rrezatimi; Mbetën vetëm ato për të cilat "nuk kishte mjaftueshëm" antigrimca. Është nga këto protone dhe neutrone "të tepërta" që përbëhet kryesisht materia e Universit modern të vëzhgueshëm.

Në T = 2 * 1010 K, neutrinot gjithëpërfshirëse pushuan së bashkëveprimin me materien - që nga ai moment duhej të kishte mbetur një "sfond neutrino relikt", i cili mund të jetë në gjendje të zbulohet gjatë eksperimenteve të ardhshme të neutrinos.

Gjithçka që sapo u tha ndodhi në super temperaturat e larta në sekondën e parë pasi filloi zgjerimi i Universit. Disa sekonda pas "lindjes" së Universit, filloi epoka e nukleosintezës primare, 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 në Univers). 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), ndodhi një zgjerim dhe ftohje e qetë e 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 grimcat elementare bëri të mundur shqyrtimin teorik të periudhës shumë fillestare, "super-dendur" të 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 të inflacionit mbuloi një periudhë të vogël kohore: ajo përfundoi në 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 prishja e fushës hipotetike. Pas kësaj, zgjerimi i Universit vazhdoi me inerci.

Hipoteza univers inflacioniste i përgjigjet një sërë pyetjesh të rëndësishme në kozmologji, të cilat deri vonë konsideroheshin paradokse të pashpjegueshme, në veçanti pyetjes së arsyes së zgjerimit të Universit. Nëse në historinë e tij Universi me të vërtetë kaloi një epokë kur kishte një presion të madh negativ, atëherë graviteti duhet të shkaktojë në mënyrë të pashmangshme jo tërheqje, por zmbrapsje të ndërsjellë të grimcave materiale. Dhe kjo do të thotë që Universi filloi të zgjerohej me shpejtësi, në mënyrë shpërthyese. Natyrisht, modeli i Universit inflacionist është vetëm një hipotezë: edhe një verifikim indirekt i dispozitave të tij kërkon instrumente që thjesht nuk janë krijuar ende. Sidoqoftë, ideja e zgjerimit të përshpejtuar të Universit në fazën më të hershme të evolucionit të tij ka hyrë 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 ultra të larta është e ndërthurur ngushtë në kozmologji me fizikën e sistemeve gjigante astronomike. Më e madhja dhe më e vogla janë të lidhura këtu me njëra-tjetrën. Kjo është bukuria mahnitëse e botës sonë, plot lidhje të papritura dhe unitet të thellë.

Manifestimet e jetës në Tokë janë jashtëzakonisht të ndryshme. Jeta në Tokë përfaqësohet nga krijesa bërthamore dhe parabërthamore, një 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 diversitetin në dukje të pafund të gjallesave, mund të dallohen disa nivele të ndryshme të organizimit të gjallesave: molekular, qelizor, ind, organ, ontogjenetik, popullsi, specie, biogjeocenotik, biosferë. 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 kriteri kryesor për një identifikim të tillë duhet të jetë prania e strukturave specifike elementare, diskrete dhe fenomeneve elementare. Me këtë qasje, rezulton të jetë e nevojshme dhe e mjaftueshme të dallohen nivelet gjenetike molekulare, ontogjenetike, të specieve të popullsisë dhe biogjeocenotike (N.V. Timofeev-Resovsky dhe të tjerët).

Niveli gjenetik molekular. Gjatë studimit të këtij niveli, me sa duket, qartësia më e madhe u arrit në përcaktimin e koncepteve bazë, si dhe në identifikimin e strukturave dhe dukurive elementare. Zhvillimi i teorisë kromozomale të trashëgimisë, analiza e procesit të mutacionit dhe studimi i strukturës së kromozomeve, fagëve dhe viruseve zbuluan tiparet kryesore të organizimit të strukturave elementare gjenetike dhe fenomeneve të lidhura me to. Dihet se strukturat kryesore në këtë nivel (kodet e informacionit trashëgues të transmetuar nga brezi në brez) janë ADN-ja e diferencuar sipas gjatësisë 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 konvariant ndodh sipas parimit të shabllonit duke thyer lidhjet hidrogjenore spirale e dyfishtë ADN me pjesëmarrjen e enzimës ADN polimerazë. Pastaj secila prej fijeve ndërton një varg përkatës, pas së cilës fijet e reja lidhen në mënyrë plotësuese me njëra-tjetrën. Ky proces kryhet shumë shpejt. Kështu, vetë-montimi i ADN-së së Escherichia coli, i përbërë nga afërsisht 40 mijë çifte nukleotide, kërkon vetëm 100 s. Informacioni gjenetik transferohet nga bërthama nga molekulat e mRNA në citoplazmë në ribozome dhe aty merr pjesë në sintezën e proteinave. Një proteinë që përmban mijëra aminoacide sintetizohet në një qelizë të gjallë në 5-6 minuta dhe më shpejt te bakteret.

Sistemet kryesore të kontrollit, si gjatë riprodhimit konvariant ashtu edhe gjatë transferimit të informacionit ndërqelizor, përdorin "parimin e matricës", d.m.th. janë matrica pranë të cilave ndërtohen makromolekulat specifike përkatëse. Aktualisht, struktura e ngulitur në acidet nukleike një kod që shërben si shabllon për sintezën e strukturave specifike proteinike në qeliza. Riduplikimi, bazuar në kopjimin e matricës, ruan jo vetëm normën gjenetike, por edhe devijimet prej saj, d.m.th. mutacionet (baza e procesit evolucionar). Njohja mjaft e saktë e nivelit gjenetik molekular 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.

Rrezatimi elektromagnetik kozmik që vjen në Tokë nga të gjitha anët e qiellit me përafërsisht të njëjtin intensitet dhe që 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 vjen nga valët e radios në intervalet centimetra dhe milimetra. Dendësia e energjisë e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës është 0,25 eV/cm3.
Astronomët eksperimentalë të radios preferojnë ta quajnë këtë rrezatim "sfond 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 pranuar përgjithësisht të Universit të nxehtë sot, ky rrezatim u ngrit në fazën e hershme të zgjerimit tonë. botë, kur lënda e saj ishte pothuajse homogjene dhe shumë e nxehtë. Ndonjëherë në shkencore dhe letërsi popullore mund të gjeni edhe termin “treshkallë rrezatimi kozmik" Më poshtë do ta quajmë këtë rrezatim "rrezatim relikt".
Zbulimi i rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor në vitin 1965 ishte i një rëndësie të madhe për kozmologjinë; u bë një nga arritjet më të rëndësishme të shkencës natyrore të shekullit të 20-të. dhe, sigurisht, 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 në të nuk kishte planetë, yje, galaktika. E kryer në vitet e fundit matjet e hollësishme të këtij rrezatimi duke përdorur observatorë tokësorë, stratosferikë dhe hapësinorë heqin perden 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 të jetë e vendosur galaktika (ligji i Hubble). Kjo u interpretua si një zgjerim i përgjithshëm i Universit, i cili filloi afërsisht 15 miliardë vjet më parë. U ngrit pyetja se si dukej Universi në të kaluarën e largët, kur galaktikat sapo filluan të largoheshin nga njëra-tjetra, madje edhe më herët. Edhe pse aparate matematikore, bazuar në teori e përgjithshme Relativiteti i Ajnshtajnit dhe përshkrimi i dinamikës së Universit, u krijua në vitet 1920 nga Willem de Sitter (1872-1934), Alexander Friedman (1888-1925) dhe Georges Lemaitre (1894-1966), rreth gjendjen fizike Universi në epokës së hershme asgjë nuk dihej për evolucionin e saj. Nuk ishte as e sigurt se në historinë e Universit ekzistonte moment të caktuar, i cili mund të konsiderohet si "fillimi i zgjerimit".
Zhvillimi fizika bërthamore në vitet 1940 lejoi zhvillimin e modeleve teorike të evolucionit të Universit në të kaluarën, kur materia e tij supozohej të ishte ngjeshur në dendësi të lartë, në të cilat reaksionet bërthamore ishin të mundshme. Këto modele, para së gjithash, duhej të shpjegonin përbërjen e materies së Universit, e cila deri në atë kohë tashmë ishte matur mjaft e besueshme nga vëzhgimet e spektrave të yjeve: mesatarisht, ato përbëhen nga 2/3 hidrogjen dhe 1. /3 helium, dhe të gjithë të tjerët elementet kimike të marra 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. Secila prej opsioneve dha përbërjen e vet materiali fillestar Universi.
Nëse i lëmë mënjanë detajet, atëherë ekzistojnë dy mundësi thelbësisht të ndryshme për kushtet në të cilat ndodhi fillimi i zgjerimit të Universit: lënda e tij mund të jetë ose e ftohtë ose e nxehtë. Pasojat e reaksioneve bërthamore janë thelbësisht të ndryshme nga njëra-tjetra. Megjithëse Lemaitre shprehu idenë e mundësisë së një të kaluare të nxehtë të Universit në veprat e tij të hershme, historikisht mundësia e një fillimi të ftohtë ishte e para që u konsiderua në vitet 1930.
Në supozimet e para, besohej se e gjithë lënda në Univers ka ekzistuar fillimisht në formën e neutroneve të ftohtë. Më vonë doli se ky supozim 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, elektron dhe 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. Si rezultat, e gjithë lënda do të shndërrohej në helium. Ky përfundim është në kundërshtim të fortë me vëzhgimet e yjeve dhe materies ndëryjore. Përhapja e elementeve kimike në natyrë hedh poshtë hipotezën se zgjerimi i materies fillon në formën e neutroneve të ftohtë.
Në vitin 1946 në SHBA, opsioni "i nxehtë". fazat fillestare Zgjerimi i Universit u propozua nga fizikani me origjinë ruse Georgy Gamow (1904-1968). Në vitin 1948, u botua puna e bashkëpunëtorëve të tij, Ralph Alpher dhe Robert Herman, i cili shqyrtoi reaksionet bërthamore në lëndën e nxehtë në fillim të zgjerimit kozmologjik, në mënyrë që të përftohen marrëdhëniet e vëzhguara aktualisht midis sasive 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 gabimisht e vlerësuan 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 rezultoi nga vëzhgimet astronomike në ato vite.
Duke krahasuar moshën e Universit në 2-4 miliardë vjet me vlerësimin e moshës së Tokës - rreth 4 miliardë vjet - duhej të supozonim se Toka, Dielli dhe yjet u formuan nga lënda primare me një të gatshme. përbërjen kimike. Besohej se kjo përbërje nuk ndryshoi ndjeshëm, 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 distancës ekstragalaktike çoi gjithashtu në një rishikim të moshës së Universit. Teoria e evolucionit yjor shpjegon me sukses origjinën e të gjithëve elemente të rënda(më i rëndë se heliumi) nga nukleosinteza e tyre në yje. Nuk ka më nevojë për të shpjeguar origjinën e të gjithë elementëve, përfshirë ato të rënda, në fazën e hershme të zgjerimit të Universit. Sidoqoftë, thelbi i hipotezës së Universit të nxehtë doli të ishte i saktë.
Nga ana tjetër, përmbajtja e heliumit të yjeve dhe gazit ndëryjor është rreth 30% në masë. Kjo është shumë më tepër sesa mund të shpjegohet me reaksionet bërthamore në yje. Kjo do të thotë se heliumi, ndryshe nga elementët e rëndë, duhet të sintetizohet në fillim të zgjerimit të Universit, por në të njëjtën kohë në sasi të kufizuar.
Ideja kryesore e teorisë së Gamow është pikërisht se temperatura e lartë e një substance parandalon shndërrimin e të gjithë substancës në helium. Në momentin 0,1 sek pas fillimit të zgjerimit, temperatura ishte rreth 30 miliardë K. Ka shumë fotone në lëndë të tillë të nxehtë 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 shfaqjen e çifteve të neutrinos dhe antineutrinos. Në këtë "kazan që digjet" ka substancë e zakonshme. Në temperatura shumë të larta, bërthamat komplekse atomike nuk mund të ekzistojnë. Ata do të thyheshin menjëherë nga grimcat energjike përreth. Kjo është arsyeja pse grimca të rënda substancat ekzistojnë në formën e neutroneve dhe protoneve. Ndërveprimet me grimcat energjike bëjnë që neutronet dhe protonet të transformohen me shpejtësi 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. Kështu, për shkak të temperaturës së lartë, zinxhiri që çon në formimin e heliumit prishet që në fillim.
Vetëm kur Universi, duke u zgjeruar, ftohet në një temperaturë nën një miliard kelvins, një pjesë e deuteriumit që rezulton është ruajtur tashmë dhe çon në sintezën e heliumit. Llogaritjet tregojnë se temperatura dhe dendësia e një substance mund të rregullohen në mënyrë që në këtë moment proporcioni i neutroneve në substancë të jetë rreth 15% në masë. Këto neutrone, duke u kombinuar me të njëjtin numër protonesh, formojnë rreth 30% të heliumit. Grimcat e mbetura të rënda mbetën në formën e protoneve - bërthamat e atomeve të hidrogjenit. Reaksionet bërthamore përfundoni pas pesë minutave të para pasi fillon zgjerimi i Universit. Më pas, ndërsa Universi zgjerohet, temperatura e materies dhe rrezatimit të tij zvogëlohet. Nga veprat e Gamow, Alpher dhe Herman në vitin 1948 vijoi: nëse teoria e Universit të nxehtë parashikon shfaqjen e 30% helium dhe 70% hidrogjen si elementët kryesorë kimikë të natyrës, atëherë univers modern në mënyrë të pashmangshme duhet të mbushet me një mbetje (“relike”) të rrezatimit të nxehtë primordial, dhe temperatura moderne Ky CMB duhet të jetë rreth 5 K.
Megjithatë, në hipotezën e Gamow-it 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 neutrino. Siç tregoi Zeldovich, një përzierje e tillë, pas zgjerimit, shndërrohet në hidrogjen të 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 është 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 testi vendimtar për zgjedhjen midis modeleve të ftohtë dhe të nxehtë të Universit mund të jetë kërkimi i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. 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. Ajo u zbulua plotësisht rastësisht në vitin 1965 nga fizikanët e radios nga kompani amerikane"Bell" nga R. Wilson dhe A. Penzias, i vlerësuar me çmimin Nobel të vitit 1978.
Në rrugën për zbulimin e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës. Në mesin e viteve 1960, astrofizikanët vazhduan të studionin teorikisht modelin e nxehtë të Universit. Llogaritja e karakteristikave të pritshme të rrezatimit të sfondit kozmik u krye në vitin 1964 nga A.G. Doroshkevich dhe I.D Novikov në BRSS dhe në mënyrë të pavarur nga F. Hoyle dhe R. J. Taylor në MB. Por këto vepra, si më shumë veprat e hershme Gamova dhe kolegët e saj nuk tërhoqën vëmendjen. Por ata tashmë kanë treguar bindshëm se rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës mund të vërehet. Pavarësisht dobësisë ekstreme të këtij rrezatimi në epokën tonë, ai, për fat të mirë, shtrihet në atë rajon të spektrit elektromagnetik ku të gjithë të tjerët burimet kozmike në përgjithësi ato emetojnë edhe më të dobëta. Prandaj, një kërkim i synuar për rrezatimin e sfondit të mikrovalës kozmike duhet të kishte çuar në zbulimin e tij, por astronomët e radios nuk dinin për të.
Kështu tha A. Penzias në leksionin e tij Nobel: “Njohja e parë e botuar e rrezatimit kozmik të sfondit mikrovalor si një fenomen i dallueshëm në rrezen e radios u shfaq në pranverën e vitit 1964 në artikull i shkurtër A.G. Doroshkevich dhe I.D Novikov, me titull Dendësia mesatare rrezatimi në Metagalaksi dhe disa çështje të kozmologjisë relativiste. Edhe pse përkthimi në anglisht u shfaq në të njëjtin vit, por disi më vonë, në revistën e njohur " fizika sovjetike- Raporte”, me sa duket artikulli nuk tërhoqi vëmendjen e specialistëve të tjerë të kësaj fushe. Ky artikull i mrekullueshëm jo vetëm që nxjerr spektrin e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës si një trup i zi fenomeni i valës, por gjithashtu fokusohet qartë në reflektorin e bririt prej njëzet këmbësh të Laboratorit Bell 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 nga teoricienët dhe vëzhguesit; ai 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 në shekullin e 20-të. - Shkencëtarët kaluan disa herë pa e vënë re atë.
Për shembull, rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës mund të ishte zbuluar në vitin 1941. Pastaj astronomi kanadez E. McKellar analizoi linjat e absorbimit të shkaktuara në spektrin e yllit Zeta Ophiuchi nga molekulat ndëryjore të cianogjenit. Ai arriti në përfundimin se këto linja në rajonin e dukshëm të spektrit mund të lindin vetëm kur drita absorbohet nga molekulat rrotulluese të cianogjenit 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 kozmik i sfondit mikrovalor. 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 të cianogjenit ndëryjor, 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 astronomëve të famshëm sovjetikë, S.E. dhe N.L përdorur shumë vite më vonë nga Penzias dhe Wilson. Shmaonov studioi me kujdes ndërhyrjet e mundshme. Natyrisht, në atë kohë ai nuk kishte ende në dispozicion marrës të tillë të ndjeshëm, siç i morën më vonë amerikanët. Rezultatet e matjeve të Shmaonov u botuan në vitin 1957 në librin e tij Teza e doktoraturës dhe në revistën “Instruments and Experimental Techniques”. Përfundimi nga këto matje ishte: “Doli që vlerë absolute Temperatura efektive e emetimit të radios në sfond... është 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 numrit 4, tani është e qartë për ne që Shmaonov mati saktësisht rrezatimin e sfondit të mikrovalës kozmike. 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 famshëm eksperimental nga Princeton (SHBA), Robert Dicke, iu afrua me vetëdije këtij problemi. Edhe pse arsyetimi i tij bazohej në teorinë e një universi "luhatës", i cili vazhdimisht përjeton zgjerim dhe tkurrje, Dicke e kuptoi qartë nevojën për të kërkuar rrezatimin e sfondit të mikrovalës kozmike. 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 Palmersky. laborator fizik në Princeton. Nuk është e nevojshme të përdoren teleskopë të mëdhenj radio për të kërkuar rrezatimin e sfondit, pasi rrezatimi vjen nga të gjitha drejtimet. Asgjë nuk fitohet duke fokusuar një antenë të madhe 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 u duhej vetëm të konfirmonin zbulimin që të tjerët kishin bërë aksidentalisht një ditë më parë.