Реликтовое микроволновое излучение. Часть 1
Существование реликтового микроволнового излучения было предсказано Гамовым в 1947 г. [130] на основе фридманов-ской модели Метагалактики. Действительно, из анализа различий зависимостей масштабного фактора от времени для излучения и холодного вещества, (1.18) и (1.19), следует, что существовала точка, когда плотности вещества и излучения были равны, а затем, после резкого увеличения длины свободного пробега фотонов при наступлении фазы доминантности вещества в эволюции Метагалактики, излучение покинуло термодинамическое равновесие и должно наблюдаться в настоящий момент времени как фоновое микроволновое излучение очень низкой температуры — реликтовое излучение (cosmic microwave background — СМВ), которое в настоящее время также является компонентой космологической среды и вносит свой вклад в ее плотность. Таким образом, реликтовое
микроволновое излучение представляет собой электромагнитные волны, или фотоны, которые находились в термодинамическом равновесии с горячей космической плазмой, а при температуре ~ 3 ООО К и возрасте мира ~ 1 млн лет, когда плазма охладилась из-за общего расширения и в ней произошла рекомбинация, излучение перестало взаимодействовать с веществом. С тех пор этот газ фотонов продолжает участвовать в космологическом расширении, оставаясь практически идеально однородным, изотропным и термодинамически равновесным.
Так как реликтовое микроволновое излучение первоначально находилось в термодинамическом равновесии, то его спектр должен соответствовать спектру излучения абсолютно черного тела, который не меняется в случае адиабатического расширения Метагалактики [20], т. е. в микроволновом диапазоне должно наблюдаться фоновое излучение с температурой <~ 5 К. К сожалению, точно предсказать температуру То реликтового излучения очень сложно. Проблема заключается в том, что теоретическое значение Го зависит от числа степеней свободы материи, которое в свою очередь зависит от времени, прошедшего с начала расширения Ьм и температуры Т. Насколько известно авторам, точные теоретические вычисления температуры То не были проведены. Грубые оценки значения этого параметра [267] приводят к следующему выражению:
(1.37)
где g — число безмассовых степеней свободы. Ha рис. 1.4 приведена зависимость числа безмассовых степеней свободы от температуры. Полагая g ~ 4 и %м ~ 3 • 1017 с, можно получить, что То ~ 10 К. Учитывая грубость оценки и неопределенность в значениях параметров Jfо и Г2, можно полагать, что это значение согласуется с результатами наблюдений.
Такое излучение было обнаружено в 1964 г. с температурой T = 3,5 ± 1,0 К [225].
Спектр CMB по современным данным эксперимента WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) [206] приведен на рис. 1.5, температура CMB по данным эксперимента WMAP измерена исключительно точно, по космологическим меркам, и составляет 2,725 ±0,001 К. В каждом кубическом сантиметре Вселенной содержится приблизительно n7 ~ 400 реликтовых фотонов.
Другие части:
Реликтовое микроволновое излучение. Часть 1