Реліктове випромінювання та історія раннього Всесвіту

Реліктове випромінювання, або космічне мікрохвильове фонове випромінювання, є одним із найважливіших доказів теорії Великого вибуху, що описує початок Всесвіту. Це слабке мікрохвильове випромінювання, що пронизує весь космос, виникло приблизно через 380 тисяч років після Великого вибуху, коли температура раннього Всесвіту знизилася настільки, що атоми водню змогли стабілізуватися, і світло стало вільно розповсюджуватися. Вивчення реліктового випромінювання дозволяє вченим зазирнути у минуле і побачити, яким був Всесвіт у перші моменти свого існування. Завдяки місіям, як-от COBE, WMAP і Планк, вдалося отримати детальні дані про неоднорідності цього випромінювання, що дає змогу досліджувати структуру раннього Всесвіту і краще зрозуміти процеси, які вплинули на його еволюцію.

Виявлення реліктового випромінювання та його підтвердження теорії Великого вибуху

Походження реліктового випромінювання

Після Великого вибуху Всесвіт перебував у стані, коли матерія і випромінювання були дуже щільно взаємодіючими, а температура перевищувала мільйони градусів. У цьому середовищі атоми не могли існувати у стабільному стані через високі енергії, що постійно іонізували атоми. Георгій Гамов та його колеги Ральф Алфері Роберт Герман передбачили у 1948 році, що цей "розпечений" етап раннього Всесвіту мав залишити по собі фонове випромінювання з часом розширення і охолодження Всесвіту. За кілька сотень тисяч років після Великого вибуху температура знизилася приблизно до 3000 К, що дозволило атомам водню стабілізуватися, і фотони почали вільно розповсюджуватися в просторі. Саме ці фотони, які утворилися тоді, і спостерігаються сьогодні як реліктове випромінювання.

Історія відкриття

У 1965 році Арно Пензіас та Роберт Вілсон зробили революційне відкриття, яке кардинально змінило розуміння походження Всесвіту. Працюючи в лабораторії Bell Labs, вони вивчали радіохвилі, використовуючи великий радіотелескоп, і виявили слабкий шум, який не зник навіть після численних перевірок на можливі джерела завад. Цей шум мав однакову інтенсивність з усіх напрямків, і його походження залишалося незрозумілим. Після консультацій із фізиками Робертом Дікке та Джимом Піблсом з Принстонського університету, вони дізналися, що такий сигнал був передбачений як залишок Великого вибуху. Цей сигнал, тепер відомий як реліктове випромінювання, підтверджував існування гарячого, щільного стану раннього Всесвіту. За своє відкриття Пензіас і Вілсон отримали Нобелівську премію з фізики в 1978 році.

Роль реліктового випромінювання у підтвердженні теорії Великого вибуху

Виявлення реліктового випромінювання стало ключовим підтвердженням теорії Великого вибуху. Згідно з цією теорією, Всесвіт виник із надзвичайно гарячого й густого стану, і в міру його розширення температура знижувалася, залишаючи за собою випромінювання, яке сьогодні існує як мікрохвильовий фон. Теорія Великого вибуху, спираючись на розширення Всесвіту, виявлене Едвіном Габблом у 1929 році, стверджувала, що Всесвіт не є статичним, а розширюється. Поява реліктового випромінювання підтверджувала, що у певний момент в минулому Всесвіт був у гарячому і щільному стані, що підтверджує модель Великого вибуху як найвірогіднішого пояснення його походження.

Інші підтвердження: місії COBE та WMAP

Після відкриття реліктового випромінювання його дослідження продовжилося з використанням сучасних технологій і космічних місій, які дозволили отримати більше даних про природу Всесвіту.

COBE (Cosmic Background Explorer): запущений у 1989 році, супутник COBE став першою космічною місією, що підтвердила рівномірність реліктового випромінювання з точністю до мінімальних температурних флуктуацій (анізотропії). Ці анізотропії були настільки малими, що їх виявлення стало важливим кроком у розумінні початкових нерівномірностей щільності, які в майбутньому привели до формування галактик і інших космічних структур. За відкриття анізотропії реліктового випромінювання члени команди COBE отримали Нобелівську премію з фізики в 2006 році.
Карта анізотропії реліктового випромінювання за даними COBE
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): наступник COBE, супутник WMAP, запущений у 2001 році, дозволив скласти детальну карту реліктового випромінювання та уточнити космологічні параметри Всесвіту. З його допомогою було визначено, що Всесвіт складається на 4.6% з баріонної матерії, на 23% із темної матерії і на 72% із темної енергії. Завдяки WMAP вдалося підтвердити вік Всесвіту, який становить приблизно 13.8 мільярдів років.
Зображення космічного випромінювання з WMAP після п'ятого року досліджень (2008)
Місія Планк: запущений у 2009 році, супутник Планк забезпечив найбільш детальну карту реліктового випромінювання, підтвердивши не тільки його температуру 2.72548 К, але й забезпечив надзвичайну точність у вимірюванні анізотропії. Дані Планка дали змогу підтвердити існування флуктуацій, які дозволили вченим ще більше уточнити модель раннього Всесвіту.
Порівняння роздільної здатності різних місій — COME, WMAP, Планк — для однієї ділянки неба.

Таким чином, реліктове випромінювання залишається ключовим доказом моделі Великого вибуху, а сучасні космічні місії допомогли отримати важливу інформацію про структуру, склад і еволюцію Всесвіту.

Дослідження реліктового випромінювання: місія Планк

Місія Планк – це космічна обсерваторія, запущена Європейською космічною агенцією (ESA) у 2009 році для вивчення реліктового випромінювання з надзвичайною точністю. Головною метою місії було створення найбільш деталізованої карти космічного мікрохвильового фону, яка б дозволила краще зрозуміти структуру раннього Всесвіту та космологічні параметри, що визначають його еволюцію. Планк досліджував анізотропії, тобто невеликі варіації температури реліктового випромінювання, які вказують на неоднорідності у ранньому розподілі матерії, що зрештою привели до утворення галактик і зірок.

Модель супутника «Планк». Фотографії з Національної щорічної зустрічі Королівського астрономічного товариства 2009.

Реліктове випромінювання: внесок місії Планк у дослідження

Місія Планк значно просунула вивчення реліктового випромінювання завдяки найточнішій карті космічного мікрохвильового фону, створеній з роздільною здатністю, яка перевищувала попередні дослідження. За допомогою високочутливих інструментів (LFI та HFI) Планк зміг виміряти флуктуації температури з точністю до мільйонної частки градуса. Це дозволило вченим розглянути структуру та властивості реліктового випромінювання з небаченою раніше детальністю. Ця карта анізотропії реліктового випромінювання виявила тонкі флуктуації, які свідчать про нерівномірності густини матерії, що формувалися в ранньому Всесвіті. Саме ці нерівномірності згодом стали основою для утворення великих космічних структур.

Досягнення місії Планк

Завдяки даним, отриманим з місії Планк, було досягнуто значного прогресу у визначенні фундаментальних космологічних параметрів. Основні результати місії включають:

Вік Всесвіту: місія Планк дала змогу уточнити вік Всесвіту, встановивши його на рівні приблизно 13.8 мільярдів років.
Темпи розширення Всесвіту (константа Габбла): Планк уточнив значення константи Габбла до приблизно 67.4 км/с/Мпк, що дещо відрізняється від значень, отриманих іншими методами, і створило так звану "кризу в космології".
Склад Всесвіту: місія дала точнішу оцінку складу Всесвіту, який складається з близько 4.9% звичайної матерії, 26.8% темної матерії і 68.3% темної енергії.
Кривизна простору-часу: дані Планка підтвердили, що наш Всесвіт є пласким, тобто не має суттєвої кривизни, що відповідає прогнозам інфляційної моделі Великого вибуху.

Місія Планк завершила збір даних у 2013 році, але аналіз цих даних продовжує надавати нові відкриття і залишається одним із найважливіших досягнень у сучасній космології. Завдяки точності даних Планка, вчені отримали безпрецедентну можливість поглиблено вивчати еволюцію Всесвіту від його початку до теперішнього стану.

Висновок

Реліктове випромінювання є одним із найвагоміших доказів теорії Великого вибуху, який дозволяє дослідити ранні етапи формування Всесвіту. Це випромінювання несе інформацію про той період, коли космос тільки почав охолоджуватися і структуруватися, і його детальне дослідження розкриває ключові особливості раннього Всесвіту. Місія Планк разом із попередніми проектами, як-от COBE і WMAP, забезпечила найбільш точні дані про флуктуації температури реліктового випромінювання. Ці дані дозволили уточнити вік Всесвіту, визначити його склад, темпи розширення та підтвердити пласку форму простору-часу. Завдяки дослідженням реліктового випромінювання вчені отримали змогу глибше зрозуміти механізми, що сприяли виникненню галактик та інших космічних структур, і це відкриває нові можливості для подальших космологічних досліджень.

Джерела:

Penzias, A. A., Wilson, R. W. (1978). Nobel Lecture: "The origin of the cosmic microwave background". Nobel Foundation.
Gamow, G., Alpher, R. A., Herman, R. (1948). "The Origin of Elements in the Universe". The Astrophysical Journal.
Planck Collaboration. (2018). "Planck 2018 results - Overview and the cosmological legacy of Planck". The European Space Agency.
Bennett, C. L., et al. (2003). "First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations". The Astrophysical Journal.
Adam, R., et al. (2016). "Planck 2015 results - Cosmological parameters". Astronomy & Astrophysics.
Smoot, G. F., Mather, J. C. (2006). Nobel Lecture: "The Discovery of the Blackbody Form and Anisotropy of the Cosmic Microwave Background Radiation". Nobel Foundation.