Что такое фоновое излучение?

фоновое излучение Астрофизика

В повседневной жизни каждый из нас постоянно сталкивается с таким термином – «реликтовое излучение». Или «фоновое излучение». Что же это такое? И почему это так важно для каждого из нас? Давайте поговорим об этом сегодня.

Как следует из его названия, фоновое излучение — это излучение, которое исходит от какого-то фона. Или излучение, которое само и является этим фоном. Куда бы мы ни посмотрели – оно есть везде! И это космический фон. Потому исходит оно из космоса.

История открытия реликтового излучения пересказывалась много раз. Но я сочту за честь рассказать ее здесь снова.

Непредвиденный шум

Дело было так. В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон были заняты установкой большой радиоантенны для знаменитой лаборатории Белла. Поначалу эта работа не была связана с какими-либо научными исследованиями в широком смысле и с астрономией в частности. Это была антенна для изучения условий и параметров спутниковых систем связи. Ученые сделали всё красиво. Устройство было установлено и готово к использованию. Оставалось только настроить и запустить эту штуку. Но вдруг инженеры столкнулись с проблемой. Приемник показывал, что радиоантенна принимает какой-то непонятный фоновый шум. И его природа была не ясна.

Вильсон и Пензиас изо всех сил старались убрать этот шум. Они тщательно проверили все компоненты, все устройства, все соединения и цепи. Они даже разогнали голубей, которые гнездились в антенне и пачкали все вокруг своим пометом. Но проблема не исчезла.

Ученые еще не знали, что шум не имеет никакого отношения к антенне. Это был шум из космоса. И именно его долгое время искал физик из Принстонского университета Роберт Дикке. Этот человек занимался космологией и разработкой модели Большого Взрыва, которая в то время только зарождалась. Учёный и его команда пытались выяснить, что именно произошло, когда зародилась Вселенная.

Советуем почитать  Другая жизнь. Водород против кислорода

Исследователи предполагали, что изначально Вселенная была очень горячей и очень плотной. При этом она быстро расширялась и охлаждалась. Но в ней еще не было ни звезд, ни планет, ни галактик. Не было даже обыкновенных атомов!

Быстрые электроны

Однако были протоны, нейтроны, электроны и колоссальное количество энергии в виде фотонов. Да, в наши дни протоны и нейтроны составляют атомное ядро. А электроны представляют собой как-бы «оболочку атома». Но в то время это было не так. Прошло какое-то время, и несколько протонов и нейтронов объединились, чтобы сформировать самые первые атомные ядра. И в конце концов в космосе остались только свободные ядра атомов водорода, которые являются отдельными протонам, и ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Но это были всего лишь ядра, а не полноценные атомы. Для их появления нужны были электроны. Но это никак не могло произойти. Потому температура была всё ещё очень высокой! Из-за огромных температур атомные ядра и электроны двигались слишком быстро, чтобы найти друг друга. И наконец соединиться. Электроны носились как дурные туда-сюда и всегда мимо ядер атомов.

Да ладно бы это никому не мешало. Однако это было не так. Потому что еще были фотоны. И они делали то, что всегда делают фотоны в любой непонятной ситуации: двигались. Но пространство тогда напоминало вагон метро в час пик. Оно было просто наполнено электронами. И каждый раз, когда какой-то неосторожный фотон подходил слишком близко к электрону, ему приходилось менять направление своего движения. Вселенная была наполнена материей и светом. И эта смесь представляла собой мутный, непрозрачный бульон. Свет не мог покинуть его. Потому что на его пути вставали электроны.

Оковы тяжкие падут, темницы рухнут

Но прошло 380 000 лет, и Вселенная стала намного больше и холоднее. Электроны становились все медленнее и медленнее. И в какой-то момент они стали настолько медленными, что сформировались классические полноценные атомы. Электроны остепенились. И зажили спокойной жизнью. И свет оказался свободен! Спустя 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная стала «прозрачной».

Советуем почитать  «Новые горизонты»: Плутон и не только.

Свет, конечно, воспользовался подобным случаем. И из каждой точки молодой Вселенной он отправился странствовать во всех направлениях. Это странно звучит, но именно поэтому он все еще с нами и сегодня! То, что Пензиас и Уилсон принимали своей антенной, и то, что они считали мешающим шумом, было не чем иным, как самым первым светом Вселенной!

Да, это звучит запутанно. Если свет появился через 380 000 лет после Большого взрыва, то есть 13,8 миллиарда лет назад, то почему он пришел на Землю в 1964 году? Космологов этот вопрос вовсе не ставит в тупик. Потому что они знают, что мы живём в расширяющейся Вселенной.

Большой взрыв произошел не где-то в каком-то конкретном месте. В космосе нет направления, на которое можно указать пальцем и сказать: «Вот. Здесь всё это и началось». Нет. В самом начале все места Вселенной были одним местом. Или по-другому: сегодня каждая точка Вселенной является местом, где произошел Большой взрыв. И из каждого места в молодой Вселенной первый свет пробился во все остальные места. Но Вселенная расширилась и продолжает расширяться.

Да будет свет!

Фоновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, возникло повсюду во Вселенной. И поэтому сегодня приходит к нам со всех сторон. Но не потому, что мы находимся в каком-то особенном месте. То, что применимо к нам, применимо и ко всем другим областям космоса. Сегодня все точки во Вселенной как бы «освещают» друг друга фоновым излучением. Каждый кубический сантиметр пространства содержит в среднем 400 фотонов фонового излучения. И их можно обнаружить в любой галактике, в любой области пространства.

Но на самом деле это уже никакое не «свечение». Да, в самом начале свет был очень энергичным. Но по мере того, как расширялось пространство, увеличивалась и длина волны света. То, что раньше было высокоэнергетическим коротковолновым излучением, теперь стало очень низкоэнергетическим длинноволновым микроволновым излучением. Температура излучения -270,425 градусов Цельсия. То есть всего на 2,725 градуса выше абсолютного нуля.

Советуем почитать  Может ли существовать жизнь на Титане

Все вышесказанное было рассчитано Робертом Дикке и его коллегами. Учёные решили провести специальные исследования, чтобы проверить правильность прогноза о существования фонового излучения. И вдруг Дикке узнал о странном шуме, обнаруженном Пензиасом и Вильсоном. В отличие от последних учёный сразу понял, что это было. Это было фоновое излучение, которое он предсказал! Исследователь совместно с первооткрывателями фонового излучения опубликовал работу о величайшем фундаментальном открытии. И наверное, несколько несправедливо, что только Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1978 года.

Фоновое излучение. Детская фотография

Но что даёт нам фоновое излучение? Много! Очень много! Ведь это буквально первый свет Вселенной! Мы никогда не сможем заглянуть дальше, чем возраст фонового излучения. Оно показывает нам, как выглядела Вселенная сразу после своего рождения. И позволяет создать своего рода «детскую фотографию» космоса. Если бы молодая Вселенная выглядела одинаково везде и на всех направлениях, то сегодня мы регистрировали бы равномерное количество фотонов со всех сторон. Однако измерения показывают, что фоновое излучение распределено неравномерно. И это хорошо. Потому что, если бы не эти различия, современная модель Большого взрыва не работала бы. Звезды, галактики и все остальное просто не смогли бы возникнуть, если исходное вещество было бы распределено равномерно.

Конечно, остаются вопросы без ответов. И некоторые необъяснимые наблюдения. Наука еще не до конца поняла природу молодой Вселенной. Но наблюдения за фоновым излучением, несомненно, поможет ей в этом!

Эта статья впервые появилась на сайте Живой Космос. Подписывайтесь на наши каналы! телеграм                     пульс                    канал Дзен
Понравилась статья? Поделитесь ей в социальных сетях! Огромное спасибо!
Живой Космос