Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Страницы: Пред. 1 ... 36 37 38 39 40 ... 331 След.
RSS
Вселенная., Эволюция, топология и измерения.
CMB - Cosmic Mirowave Background. Космический микроволновый фон, или реликтовое излучение (РИ).
Тема большая, описывать придется по частям.  

Сначала о том, что такое РИ,  и немного истории по материалам Википедии

На ранней стадии расширения Вселенной образовавшая материя в виде супа из протонов, электронов, фотонов и др. частиц была плотной и не прозрачной для  фотонов. Фотоны находились в состоянии теплового равновесия с веществом, их спектр соответствовал спектру  излучения абсолютно черного тела. При расширении вещество охладилось, через 380 000 лет после Большого Взрыва произошла рекомбинация электронов и протонов, образовались атомы, а фотоны  перестали рассеиваться на плазме - среда стала прозрачной для них - высвободилось реликтовое излучение.  
С тех пор реликтовое излучение заполняет всю Вселенную можно считать, однородно и изотропно во всех направлениях. По мере расширения  Вселенной РИ испытывало очень большое красное смещение, так что энергия фотонов уменьшилась до температуры в несколько градусов Кельвина, а длина волны находится где-то в сантиметровой области.

РИ впервые было предсказано Гамовым в 1948 году на основе теории Большого Взрыва. Эти результаты были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов.
РИ было открыто в 1965 А. Пензиасом и Р. Вильсоном, которые построили прибор для радиоастрономии и спутниковых сигналов. Они обнаружили постоянный помеховый сигнал, от которого никак не могли избавиться. Думали, что виноваты голуби, поселившиеся в рупоре антенны, но чистка антенны не помогла.  Через некоторое время об этой проблеме узнал Дикке, созвонившись, они поняли, что сделали открытие. Фон излучения соответствовал 3,5K. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

В 1983 году впервые был проведен космический эксперимент РЕЛИКТ-1 по изучению РИ на советском спутнике "Прогноз-9", и советские ученые объявили об открытии анизотропии РИ.
В 1989 году NASA запустило космическую обсерваторию COBE для изучения РИ, которая проработала 4 года,  собрав данные о фоне по всей небесной сфере, чего нельзя достичь наземными экспериментами, (это отдельное описание). Было подтверждено соответствие РИ спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К Два научных руководителя программы COBE Джордж Смут и Джон Мазер в 2006 году были удостоены Нобелевской премии по физике за их открытия в области космологии.

В последующие годы была проведена серия наземных и балонных (стратоферных) экспериментов, станция в Антарктиде на Южном полюсе, данные были собраны и обобщены, в основом занимались американские иследователи.  Но наземным измерениям мешает атмосфера и неполный обзор небесной сферы, в отличие от спутниковых экспериментов.

30 июня 2001 года NASA запустило космический аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной. Аппарат работал до 2009 года, и принес очень интересные результаты.

Европейское Космичекое Агенство (ESA) запустило  Планк — астрономический спутник Европейского космического агентства, созданный для изучения вариаций микроволнового фона — реликтового излучения, сохранившегося после Большого взрыва. Запущен 14 мая 2009 года с космодрома Куру на борту ракеты-носителя «Ариан-5». Вместе с ним был запущен орбитальный инфракрасный телескоп «Гершель».

Продолжение следует.
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Inflation and the Cosmic Microwave Background

Вселенная расширялась и охлаждалась. Чем дальше в прошлое, тем она была меньше и горячее.
Реликтовое излучение имеет самое большое красное смещение, много большее, чем красное смещение самых далеких галактик и квазаров, которые еще не образовались в столь раннюю эпоху.  
Красное смещение РИ  z = 1000, это много больше, чем z = несколько единиц  для галактик и квазаров.
Это значит, что в момент высвобождения РИ Вселенная была в 1000 раз меньше размеров сегодняшней Вселенной.

РИ было излучено горячей плазмой много раньше того, когда образовались звезды и галактики, и оно является уникальным средством для изучения ранней Вселенной.

С помощью спутниковых наблюдений (COBE) были открыты горячие и холодные пятна РИ. Наблюдения были доказательством теории Большого Взрыва. Это было прокомментировано словами "Если вы религиозны, это похоже на то, что Вы взглянули в лицо Бога" (George Smooth) и "Это величайшее открытие столетия, если не за все время" (Stephen Hawking).

РИ приходит с поверхности последнего рассеяния.  Когда вы смотрите сквозь туман, вы видите поверхность последнего рассеяния. Расстояние, на которое вы видите, может быть 100 метров. В густом тумане видно на 10 метров. В очень плотном тумане вы не увидите дальше своей вытянутой руки. Поверхность последнего рассеяния на расстоянии не более чем длина вытянутой руки. За поверхностью последнего рассеяния ничего увидеть нельзя. Это максимальное расстояние, на которое можно заглянуть вглубь Вселенной в прошлом.

Представим себе бесконечную площадь, заполненную людьми. См. рисунок, на котором изображены головы.
Все люди громко кричат, вы находитесь в центре. Вдруг по команде свыше все люди одновременно замолчали. Вы продолжаете слышать звук, который приходит к вам со все более далекого расстояния. Окружность, с которой приходит звук, растет в диаметре со скоростью звука. Вы будете слышать шум, воспроизводимый разными людьми в разные моменты времени. Точно так же к нам приходит реликтовое излучение с поверхности последнего рассеяния, постоянно смещающейся с течением времени.



Модель предсказывает, что РИ находилось в тепловом равновесии и имеет спектр абсолютно черного тела. Измерения температуры антенны на различных частотах показывают, что спектр РИ действительно приблизительно описывается излучением черного тела, но в нем есть особенности, которые не просто объяснить. Измерения на спутнике CОВЕ дали температуру 2.725К для РИ.
Первые измерения СОBЕ показали высокую степень изотропности РИ.  

РИ по своему происхождению не является излучением, образовавшимся в результате рекомбинации электронов и образования первых атомов. Только небольшая его часть появилась таким образом. Основная часть энергии РИ образовалась в результате аннигиляции пар частица/античастица в плотном веществе ранней Вселенной.  При расширении Вселенной энергия излучения падала, и достигла потенциала ионизации атома водорода, так что фотоны не могли больше ионизировать рекомбинирующиеся атомы. Рекомбинация стала возможна. Хотя ионизационный потенциал атома водорода 13.6 эВ (T = 10^5 К), рекомбинация произошла при температуре 3000 К. Такая низкая температура объясняется тем, что на один протон приходилось 10 миллиардов фотонов, и у распределения фотонов был очень длинный хвост.

Ранняя Вселенная была заполнена большим количеством нейтрино, которые, образовались при энергии выше 1MэВ, и так же как РИ, должны бы сохраниться до наших дней. При тепловом равновесии температура образовавшихся фотонов и нейтрино была одинакова, и на сегодня должна была бы составлять 1.95К. Однако, измеренная температура фотонов  2.725К. Откуда взялась дополнительная энергия фотонов? Она взялась от аннигиляции электрон-позитронных пар, когда температура упала ниже 1MэВ. Фон из холодных нейтрино T=1.95К еще не наблюдался.
Изменено: Olginoz - 25.02.2012 08:23:24
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Когда была обнаружена анизотропия РИ, это означало, что ученые могут попробовать восстановить изображения, как выглядела очень ранняя Вселенная.  
РИ может дать не только информацию о том, какой была  Вселенная 380 000 лет от момента Большого взрыва (БВ). Можно получить данные о том, какой была Вселенная в очень малые доли секунды после БВ.

Когда Вселенная была очень мала в размерах, она колебалась и двигалась как единое целое, в ней возникали квантовые флуктуации, которые при инфляции застывали в виде неоднородностей (вспомните модель и лекцию Линде, которая уже обсуждалась в другой теме). Эти неоднородности  должны были оставить свой отпечаток на небесной сфере РИ.

Для выявления неоднородностей был применен метод разложения изображения всей небесной сферы на сферические гармоники. Популярное объянение того, как это делается можно прочитать в Астрогалактике.

Сферическая гармоника характеризуется двумя числами: l и m. Число l - тон монополя, m - его ориентация в пространстве. Несколько монополей с одинаковым l и разным m образуют мультиполь. Каждому монополю и мультиполю соответствует своя амплитуда колебаний, выражаемая в единицах температуры (холодно-горячо).  "Самый нижний тон (l=0) - монополь, когда сфера пульсирует как целое. Монополь реликтового излучения - это его средняя температура, всего лишь 2,725 K выше абсолютного нуля . Следующая по высоте нота (l=1) - диполь, у которого температура выше в одном полушарии и ниже - в другом. " Следующий тон l = 2 образует квадруполь и так далее. В одном мультиполе все может быть l*(l-1) монополей.
Чем больше l, тем меньшему уловому размеру пятен это соответвует.

По данным спутника WMAP был получен вот такой спектр мощности РИ, разложенный по мультиполям:


Крупномаштабные изображения на карте неба РИ соответствует мультиполям с малыми значениеми l.
Mультиполя с небольшими значениями l содержат инфомацию о квантовых флуктуациях Вселенной в первые мгновения ее жизни. Небо хранит хорошо скрытую фотографию того, что произошло в тот момент. Карту реликтового излучения можно записать в разные разделы книги рекордов Гинесса: самое большое, самое маленькое, и самое далекое прошлое.

В фотон-барионной среде могли появляться неоднородности, и возникать акустические волны.  
Максимальный пик на спектре мощности соответствует мультиполям приблизительно с l=200, температурные пятна размером около одного градуса. Этот максимум вероятнее всего отражает крупномасштабные неоднородности вещества на поверхности последнего рассеяния. Чем больше l, тем более мелким неоднородностям они соответствуют. На рисунке видно несколько минимумов и максимумов с понижающейся амплитудой при увеличении l. Каждый максимум можно описать гауссовой функцией, как показано на рисунке http://www.astronet.ru/db/msg/1190313 . Это означает гауссовость распределения флуктуаций.
Изменено: Olginoz - 25.02.2012 10:15:01
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Из истории. Почти 30 лет назад.
Первый советский эксперимент РЕЛИКТ-1 на спутнике "Прогноз-9", который был запущен в 1983 году, в котором впервые была открыта анизотропия РИ.  Спутник был выведен на орбиту с апогеем 700 000 км, наклонением 65,5° и периодом обращения около 27 суток. Первый эксперимент по изучению реликтового излучения с использованием космических аппаратов. Проводился с июля 1983 года по февраль 1984.
Радиообраз юной Вселенной.
Россия больше не запускала космических аппаратов для изучения РИ.
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Цитата
Olginoz пишет:
Представим себе бесконечную площадь, заполненную людьми. См. рисунок, на котором изображены головы. Все люди громко кричат, вы находитесь в центре. Вдруг по команде свыше все люди одновременно замолчали. Вы продолжаете слышать звук, который приходит к вам со все более далекого расстояния. Окружность, с которой приходит звук, растет в диаметре со скоростью звука. Вы будете слышать шум, воспроизводимый разными людьми в разные моменты времени. Точно так же к нам приходит реликтовое излучение с поверхности последнего рассеяния, постоянно смещающейся с течением времени.
Очень хорошая и ясная аналогия. Вот только не понятно, почему на основе состояния Вселенной 380 000 лет после Бол\Взрыва, можно судить о состоянии Вселенной на момент триллионной секунды после БВ?
В ноябре 1989 года NASA запутило спутник COBE (Cosmic Background Explorer ) с космодрома авиавоздушной базы Ванденберг, Калифорния. Основной задачей обсерватории было изучение реликтового фона Вселенной.

Основным инструментом СОBE был радиометр DMR (Differential Microwave Radiometer). Впервые было получены данные в угловом масштабе > 7 градусов. DMR проработал 4 года до декабря 1993, непрерывно собирая данные по обзору небесной сферы. Инструмент cостоял из 6 дифференциальных радиометров, которые принимали сигнал на частотах 31.5, 53 и 90ГГц. Радиометры были расположены под углом 60 град. и окружены щитом от рассеянного света Солнца  (см. рисунок). Кроме радиометров, на спутнике были установлены спектрометр микроволнового и далекого инфракрасного излучения FIRAS (Far-InfraRed Absolute Spectrophotometer) и  многоканальный фотометр инфракрасного диапазона DIRBE (Diffuse InfraRed Background Experiment)



CОBE был выведен на полярную орбиту высотой 900 км с периодом обращения вокруг Земли 103 минуты, спутник вращался вокруг своей оси приблизительно 0.8 оборотов в минуту, и ориентирован перпендикулярно направлению на Солнце.  Такая ориентация позволяла избегать попадания солнечного света на окна приборов, и за 6 месяцев полета сканировалась вся небесная сфера.  Из-за наклона Земной оси не удавалось избежать систематической погрешности из-за рассеянного солнечного света во время летнего солнцестояния, в течение 60 дней в году.

По накопленным 4-х летним данным типовое отношение сигнал-шум сбыло порядка двух для карты, составленной из сглаженных измерений с интервалом 10 градусов.  Впервые было получено визуальное изображение всего неба. Получена температура монополя T = 2.725 +- 0.02К, и разность температур для диполя (l=1) Tdip = 3.353+-0.024мK, для квадруполя (l=2) T2 = 10 (+3.8, -2.8) мкК. Это было наблюдение анизотропии в больших угловых масштабах с l < 20. Было получено, что спектр РИ мало отличается от спектра черного тела.
Стало хорошо известно, что анизотропия РИ наблюдается на амплитудах порядка  (дельта T)/T = 10^-5, т.е. очень мала.

Карты неба, полученные с помощью радиометра DMR:



Ссылки:
Википедия, COBE
Anisotropies of the Cosmic Microwave Background
http://www.walkinspace.ru/load/13-1-0-108
http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe
Изменено: Olginoz - 25.02.2012 12:43:22
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Цитата
Павел Чижов пишет:
Вот только не понятно, почему на основе состояния Вселенной 380 000 лет после Бол\Взрыва, можно судить о состоянии Вселенной на момент триллионной секунды после БВ?
Потому что те неоднородности, которые мы наблюдаем - это те самые растянутые и увеличенные флуктуации, которые имели место быть на тот момент.
Внимание! Есть полагание основать, что личное мнение содержит исключительно сообщение автора. Оно может не отвечать, что соответствует научности по критериям данности.
Красная полоса на изображениях COBE -  не квантовая флуктуация. Это рассеянное излучение от пыли в нашей Галактике.
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Цитата
Ветер Перемен:
неоднородности, которые мы наблюдаем - это те самые растянутые и увеличенные флуктуации, которые имели место быть на тот момент.
И что, за 380 000 лет ни какой внутренней динамики?
Изменено: Павел - 25.02.2012 12:52:22
Вселенная была в состоянии инфляции, расширялась быстрее скорости света. Внутренней динамики не было.
Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Страницы: Пред. 1 ... 36 37 38 39 40 ... 331 След.
Читают тему (гостей: 5, пользователей: 0, из них скрытых: 0)

Вселенная.


Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее