Реликтовое излучение

Анизотропия и диполь микроволнового фона

По данным измерений инструментом спутника COBE средняя температура фонового излучения составляет 2.725 K. Однако на этой средней интенсивности существуют небольшие, наложенные на неё температурные флуктуации. Вариации температуры различных участков неба составляют плюс — минус 0.00335 K, образуя, таким образом, один «горячий» и один «холодный» полюсы — диполь:

Диполь микроволнового фона: с ускорением через всю Вселенную. Авторы: DMR, COBE, NASA, карта неба за 4 года. http://www.astronet.ru/db/msg/1186527

COBE, NASA«Пояснение: Наша Земля движется вокруг Солнца. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики Млечный Путь. Галактика Млечный Путь движется в Местной Группе галактик. Местная Группа направляется к скоплению галактик в созвездии Девы. Но все эти объекты участвуют в еще более быстром движении по отношению к фону космического микроволнового излучения. На карте неба излучение в том направлении, куда движется Земля, выглядит смещенным в фиолетовую область спектра (более горячим), а излучение с противоположной стороны неба смещено в красную область (холоднее). Из этой карты следует, что Местная Группа движется со скоростью 600 км/с по отношению к фоновому излучению. Причины такого быстрого движения остаются непонятными. Почему мы движемся так быстро? И куда?»

Это самая крупная неоднородность фонового излучения, она порождается излучением, исходящим из межгалактического пространства и отражает перемещение и вращение нашей галактики «Млечный Путь» относительно среды межгалактического вакуума.

Высокая чувствительность инструмента FIRAS спутника COBE позволяет зарегистрировать и мелкие неоднородности в пределах плюс – минус 0.0005 K, Рис. 25.

Слева изображен диапазон колебаний температуры около 0.0005 K от самых холодных (голубой) до самых горячих (красный) участков неба. Справа в том же масштабе и в той же проекции изображена карта Земли.

Сравнивая рисунки, нетрудно заметить достаточно чёткую корреляционную связь голубых пятен микроволнового фона на карте неба с расположением континентов на Земле: слева направо – Южная Америка, Африка, Австралия. Очень вероятно, что эти неоднородности фонового излучения неба вызваны особенностями теплового излучения, исходящего от деталей земной поверхности во внешнее пространство, и переизлучением его в верхних слоях ионосферы и в ближайшем космосе.

Как видим, детальные исследования фонового излучения неба позволяют предположить, что небольшая часть его имеет местное, в соответствии с масштабом неоднородностей, происхождение, не имеющее отношения к самым далёким окраинам Вселенной.

Не менее важны и следующие выводы из изложенного выше:

Следствие 11.

Атомы и молекулы водорода не могут перемещаться в среде космического вакуума на заметные расстояния просто ввиду торможения, потери энергии при движении в среде вакуума; следовательно, относительно среды вакуума они, в среднем, неподвижны и могут участвовать только в броуновском движении, соответствующем температуре межгалактического газа. Для объяснения феномена фонового микроволнового излучения достаточно учитывать излучение межзвёздного и межгалактического водорода как реального чёрного тела и привлечение для этой цели фантастического «реликтового» излучения абсолютно излишне.

Оставайтесь на канале и в следующей мы рассмотрим другие признаки древности объектов Вселенной и завершим таким образом большую тему распространения света в вакууме. А после перейдем к другой не менее интересной теме структуры космического вакуума!

// Статья подготовлена по материалам книги Ерунова В. «Вакуум и Вселенная» и публикуется с разрешения автора.

Радиоизлучение планет.

В 1956 К.Мейер из Военно-морской лаборатории США открыл излучение Венеры на волне 3 см. В 1955 Б.Бурке и К.Франклин из института Карнеги в Вашингтоне обнаружили короткие всплески радиоизлучения от Юпитера на волне 13,5 м. Дальнейшие исследования в Австралии показали, что всплески излучения от Юпитера приходят в те моменты, когда определенные зоны его поверхности обращены к Земле. В дециметровом диапазоне кроме теплового излучения наблюдалось и синхротронное, что указывало на наличие у Юпитера мощного магнитного поля, которое позже было действительно обнаружено космическими зондами.

Радиолокационные исследования планет позволяют точно определять их расстояние от Земли, скорость их суточного вращения и свойства поверхности. Радиолокация Венеры позволила изучить топографию ее поверхности, закрытой от оптических телескопов плотным облачным слоем. См. также РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ.

Отношение к Большому Взрыву

Поляризация

Реликтовое излучение поляризовано на уровне в несколько мкК. Выделяются E-мода (градиентная составляющая) и B-мода (роторная составляющая) по аналогии с поляризацией электромагнитного излучения. E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 мкК, не может возникать вследствие взаимодействия с плазмой.

B-мода является признаком инфляции вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение B-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что B-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной E-модой.

На 2015 год наблюдательных подтверждений открытия B-моды нет. 17 марта 2014 года учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили о обнаружении B-моды на уровне r = 0,2. Однако, более поздний анализ (опубликован 19 сентября 2014), проведённый другой группой исследователей с использованием данных обсерватории «Планк», показал, что результат можно полностью отнести на счёт галактической пыли.

Вторичная анизотропия

Вторичная анизотропия реликтового излучения возникает в процессе распространения фотонов на их пути от поверхности последнего рассеяния до наблюдателя, например, рассеяния на горячем газе или прохождения гравитационного потенциала.

Когда фотоны реликтового излучения стали распространяться беспрепятственно, обычная материя во Вселенной была в основном в виде нейтральных атомов водорода и гелия. Тем не менее, наблюдения галактик сейчас показывают, что большая часть объёма межгалактической среды состоит из ионизованного материала (так как есть несколько линий поглощения, связанных с атомами водорода). Это означает, что был период реионизации, в ходе которого некоторое количество вещества Вселенной было вновь разбито на ионы и электроны.

Фотоны микроволнового излучения рассеиваются на свободных зарядах, таких как электроны, которые не связаны в атомах. В ионизированной Вселенной такие заряженные частицы были выбиты из нейтральных атомов ионизирующим ультрафиолетовым излучением. Сегодня эти свободные заряды имеют достаточно низкую плотность в большей части объёма Вселенной, так что они не влияют заметно на реликтовое излучение. Однако если межгалактическая среда была ионизирована на очень ранних этапах расширения, когда Вселенная была намного плотнее, чем сейчас, то это должно было вызвать два основных следствия для реликтового излучения:

• мелкомасштабные флуктуации будут стёрты подобно тому, как при взгляде на объект сквозь туман детали объекта становятся нечёткими.
• процесс рассеяния фотонов на свободных электронах (томсоновское рассеяние) будет вызывать анизотропию поляризации реликтового излучения на больших угловых масштабах, которая будет коррелировать с температурной анизотропией.

Оба этих эффекта наблюдались космическим телескопом WMAP, что свидетельствует о том, что Вселенная была ионизирована на очень ранних этапах (на красном смещении более 17). Происхождение этого раннего ионизирующего излучения всё ещё является предметом научных дискуссий. Это излучение, возможно, включает свет самых первых звёзд, сверхновых, которые явились результатом эволюции этих звёзд, и ионизирующее излучение, возникающее при аккреционных дисках массивных чёрных дыр.

Два других эффекта, которые возникли в период между реионизацией и нашими наблюдениями реликтового излучения и которые являются причиной флуктуаций: эффект Сюняева — Зельдовича, заключающийся в том, что облако электронов высокой энергии рассеивает реликтовые фотоны и передаёт часть своей энергии им, и эффект Сакса — Вольфа, который вызывает смещение спектра фотонов от космического микроволнового фона в красную или фиолетовую область спектра по причине изменения гравитационного поля. Эти два эффекта связаны с влиянием структур в поздней Вселенной (красное смещение меньше или порядка 1). С одной стороны, они приводят к размыванию спектра реликтового излучения, так как накладываются на первичную анизотропию; с другой стороны — позволяют получить информацию о распространённости структур в поздней Вселенной, а также проследить за их развитием.

Фоновое космическое излучение и классическая электродинамика

Классическая электродинамика утверждает, что любое электромагнитное излучение, в том числе и фоновое космическое излучение, может быть создано только при условии обязательного выполнения законов электромагнетизма, а также других законов природы. Это излучение может быть создано только электромагнитными полями элементарных частиц, или их соединений (атомами, молекулами, ионами и др.). При этом созданное излучение будет взаимодействовать с электромагнитными полями других элементарных частиц всегда и независимо от «стадии создания Вселенной». — Если есть Вселенная то, следовательно, существуют и законы Вселенной, в том числе и законы электромагнетизма, как неотъемлемая часть Вселенной.
Остывание плазмы, находящейся в тепловом равновесии, возможно лишь в том случае если кинетическая энергия будет расходоваться, например, на образование новых пар «частица-античастица». Но тогда вместе с веществом будет создаваться и антивещество со всеми вытекающими отсюда последствиями и будущими вселенскими катаклизмами. А расширение Вселенной необходимо не постулировать, а доказать.

История исследования

Первое случайное обнаружение

В 1941 году, изучая поглощение света звезды ξ Змееносца молекулами CN в межзвёздной среде, Эндрю Мак-Келлар отметил, что наблюдаются линии поглощения не только для основного вращательного состояния этой молекулы, но и для возбуждённого, причём соотношение интенсивностей линий соответствует температуре CN ~2,3 К. В то время это явление не получило объяснения.

Предсказание

В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Предыстория

В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента».

Открытие

Рупорно-параболическая антенна в Холмдейле, 1962 год.

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов.

В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в (штат Нью-Джерси) построили прибор, аналогичный радиометру Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию.

Исследование неоднородностей

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев.

Спектр реликтового излучения по данным, полученным с помощью инструмента FIRAS на борту спутника COBE (ошибки измерений не видны в масштабе рисунка)

Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения FIRAS, установленный на спутнике NASA COBE, выполнил наиболее точные на сегодняшний день измерения спектра реликтового излучения. Они подтвердили его соответствие спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

14 мая 2009 года был произведён запуск спутника миссии Планк Европейского космического агентства. Предполагалось, что наблюдения будут продолжаться в течение 15 месяцев с возможным продлением полёта на 1 год, и что обработка результатов этого эксперимента позволит проверить и уточнить данные, полученные WMAP.

Наблюдения реликтового излучения

Радиотелескопы в Антарктиде:

• DASI (Degree Angular Scale Interferometer) (США)
• South Pole Telescope (SPT, «Южный Полярный Телескоп» (ЮПТ), «Телескоп южного полюса») (США)

Космические радиотелескопы:

• РЕЛИКТ-1 (СССР, 1983—1984)
• COBE (США, 1989—1996)
• WMAP (США, 2001—2009)
• Планк (ЕС, 2009—2010, н.в.)

Анализ

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Розовая область показывает теоретические предсказания.

Анализ реликтового излучения с целью получения его карт, углового спектра мощности, а в конечном итоге космологических параметров, является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, представляющим разложение фона по сферическим гармоникам, на практике трудно учитывать шумовые эффекты.

Для анализа данных используются специализированные пакеты:

Каждый пакет использует свой формат хранения карты реликтового излучения и свои методы обработки.

Эхо Большого Взрыва

Если пройтись старым радиоприемником по эфиру то можно услышать статический шум между станциями. Около 1 процента от него — музыка для ушей физика, потому что с этим звуком мы воспринимаем то, как растягиваются радиоволны, путешествовавшие по пространству с начала времен.

Глубоко в статике возникает эхо Большого Взрыва. Эти радиоволны были когда-то видимым светом, но этот свет возник спустя 400 тысяч лет после Большого Взрыва. До него наблюдаемая рождаемая Вселенная была гораздо меньше и горячее, чем сегодня. Ее температура составляла 273 миллиона градусов по Цельсию, а это на порядок жарче, чем в центре звезды, так жарко, что ядра водорода и гелия не смогли бы удержать свои электроны в атомах. Материя положившая началу Вселенной была перегретым шаром голых атомных ядер и электронов, то есть представляла собой плазму. Свет не может передвигаться далеко в плотной плазме, поскольку он отражается от электрически заряженных субатомных частиц.

Только тогда, когда Вселенная расширилась и охладилась достаточно для того, чтобы электроны смогли комбинироваться с ядрами водорода и гелия в атомы, — только тогда свет смог свободно перемещаться. Этот эпизод эволюции Вселенной ученые называют рекомбинацией. До рождения Вселенная составляла около одной тысячной своего нынешнего размера и остыла до 3000 градусов по Цельсию. Это близко к температуре поверхности красных гигантов, так что вся совокупность вещества, энергии и пространства светились видимым светом, как огромные звезды.

Всё пространство стало холоднее и просторней, и некоторых из этих «блуждающих посланников» — растянутые волны света  мы «собираем» сегодня при помощи радиомониторинга. Однако по мере расширения Вселенной растягивается и Космос. То же происходит и со светом — настолько, что он выходит за пределы видимой части спектра. Он вышел за пределы и инфракрасной части спектра, и теперь «видим» для нас только в микроволновой и радиоволновой частях спектра.

Эти слабые, длинные волны универсального свечения — космический микроволновый фон или реликтовое излучение Вселенной  были открыты в 1964 году американскими физиками Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном и стали ключевым доказательством того, что вся совокупность вещества, энергии и пространства началась Большим Взрывом. За это открытие Пензиас и Уилсон были удостоены в 1978 году Нобелевской премии.

В нынешнее время наука астрономия и космология изучает крупномасштабное единое целое эволюции Вселенной.

Откуда взялось реликтовым излучение?

Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась Вселенная? По сути, реликтовое излучение – это то, что осталось от «строительства Вселенной», когда она начала только зарождаться после расширения плотной горячей плазмы. Для того чтобы проще было понять что такое реликтовое излучение сравним его с остатками человеческой деятельности. К примеру, человек изобретает что-то, другие это покупают, употребляют и выбрасывают отходы. Так вот мусор (тот самый результат жизни человека) – это и есть аналог реликтового излучения. По мусору можно узнать все – где человек был в определенный промежуток времени, что он ел, во что был одет, и даже о чем вел беседу. Также и реликтовое излучение. По его свойствам ученые пытаются построить картину момента большого взрыва, что возможно даст ответ на вопрос: как появилась Вселенная? Но все же, законы сохранения энергии создают определенные разногласия о возникновении вселенной, потому что ничто из ниоткуда не берется и никуда не девается. Динамика нашей вселенной – это переходы, смена свойств и состояний. Это можно наблюдать даже на нашей планете. К примеру, шаровая молния появляется в сгустке облака из частиц воды?! Как? Как так может быть? Никто не может объяснить происхождение тех или иных законов. Есть только моменты открытия этих законов, как и история открытия реликтового излучения.

Фоновое космическое излучение и гипотеза Большого взрыва

Согласно гипотезе Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из протонов, нейтронов, электронов и фотонов (т.е. из барионов, одного из лептонов и фотонов). Утверждается, что благодаря эффекту Комптона фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы (протонами, нейтронами и электронами), испытывая с ними упругие столкновения и обмениваясь энергией. Таким образом, излучение должно было находиться в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовать спектру абсолютно чёрного тела.
По мере предполагаемого гипотезой Большого взрыва расширения Вселенной, космологическое красное смещение (как предполагается) должно было вызывать остывание плазмы, и на определённом этапе для электронов должно было стать энергетически предпочтительней, соединиться с протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), и сформировать атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Это могло случиться при температуре плазмы около 3000 К и предполагаемом примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны , как предполагается, перестали рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, в гипотезе Большого взрыва называется поверхностью последнего рассеяния. Предполагается, что это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре. В результате дальнейшего предполагаемого расширения Вселенной температура излучения снизилась и сейчас составляет 2,725 К. (Данные взяты из Википедии и немного доработаны).

А теперь немного критики с точки зрения физики.
Нейтроны (скрываемые за формулировкой «барионы») являются нестабильными элементарными частицами и по истечении времени (порядка 1000 секунд), каждый нейтрон распадется на протон, электрон и электронное антинейтрино. Таким образом, этот «коктейль» должен состоять из протонов, электронов, фотонов и электронных антинейтрино. В процессе распада нейтрона электронное антинейтрино, как элементарная частица, обладающая наименьшей массой покоя, заберет значительную часть энергии распада. Потом в результате столкновений в межгалактическом пространстве с другим антинейтрино обе частицы перейдут в возбужденные состояния с последующем излучением низко энергетических фотонов — фонового космического излучения. Так незнание гипотезой Большого взрыва законов природы не освобождает данную гипотезу от их действия.
А из протонов и электронов получается — только водород. В итоге должна получиться водородная Вселенная, в «реликтовом» излучении которой должны присутствовать спектральные линии водорода. Атомам гелия создаться не из чего, если не прибегать к звездам и их термоядерным реакциям. Но тогда 400 000 лет отведенных гипотезой для образования звездами гелия окажется явно недостаточно.
Расширение Вселенной никто не доказал — это всего лишь предположение, основанное на одностороннем толковании красного смещения в пользу эффекта Доплера и игнорировании взаимодействий элементарных частиц. Также является сказкой утверждение о том, что через 400 000 лет фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Тут забыли об антинейтрино, получившихся в результате распада нейтронов, и о фотон-нейтринных взаимодействиях, игнорируемых стандартной моделью. Также забыли о взаимодействиях самих антинейтрино. И, наконец, физика не нашла доказательств того, что в истории Вселенной был Большой взрыв.

Теперь почему так получилось, или точнее, почему вместо теории Большого взрыва получилась ошибочная гипотеза.

Так ошибка в выборе фундамента закономерно привела к ошибочному результату. Для физики все это очевидно, но возможно для космологии это в новинку. И если так — то космологии предстоит пройти курс обучения уважению законов природы со строгим учителем под названием «Природа», как это в свое время было с физикой. Правда надо отметить, что небольшая часть физики (физика элементарных частиц) с упорством, достойным лучшего применения, пытается управлять законом сохранения энергии вопреки природе. А что из этой шалости получилось — теперь хорошо видно: сказочные «теории».

Таким образом, фоновое космическое излучение, называемое по ошибке «реликтовым», не было создано Большим взрывом и у него должны быть в природе иные источники.

Примечания

1. ↑
2. A. McKellar. Molecular Lines from the Lowest States of Diatomic Molecules Composed of Atoms Probably Present in Interstellar Space // Publications of the Dominion Astrophysical Observatory. — 1941. — Vol. 7. — P. 251. — .
3. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1975. — С. 156. — 736 с.
4. Physics Today, 1950, № 8, стр. 76
5. Шмаонов Т. А. Методика абсолютных измерений эффективной температуры радиоизлучения с низкой эквивалентной температурой // Приборы и техника эксперимента. 1957. № 1 С.83-86. 18.
6. Чернин А. Д., Звёзды и физика, М.: Наука, 1984, с. 152—153
7. ↑
    (Проверено 17 апреля 2013)

8. Гобунов Д. С., Рубаков В. А. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. — М.: ЛКИ, 2006. — С. 35—36. — 552 с. — ISBN 978-5-382-00657-4.

Отождествление источников.

Звезды – слабые источники радиоволн. Долгое время единственной звездой на «радионебе» было Солнце, и то лишь благодаря его близости. Но в 1970-х годах Р.Хелминг и К. Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории США открыли радиоизлучение от газовых оболочек, сброшенных Новой Дельфина 1967 и Новой Змеи 1970. Затем они обнаружили радиоизлучение красного сверхгиганта Антареса и рентгеновского источника в Скорпионе.

В.Бааде и Р.Минковский из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (США) отождествили многие яркие радиоисточники с оптическими объектами. Например, ярчайший источник в Лебеде оказался связан с очень далекой и слабой галактикой необычной формы, ставшей прототипом радиогалактик. Мощный радиоисточник в Тельце они отождествили с остатком взрыва сверхновой звезды, отмеченной в китайской летописи 1054. Мощный источник в Кассиопее также оказался остатком сверхновой, вспыхнувшей всего лет 300 назад, но не замеченной никем.

В 1967 Э.Хьюиш, Дж.Белл и их коллеги из Кембриджа (Англия) открыли необычные переменные радиоисточники – пульсары. Излучение каждого пульсара представляет строго периодическую последовательность импульсов; у открытых пульсаров периоды лежат в интервале от 0,0016 с до 5,1 с. Через 2 года У.Кокки, М.Дисней и Д.Тейлор обнаружили, что радиопульсар в Крабовидной туманности совпадает со слабой оптической звездой, которая, как и пульсар, изменяет свою яркость с периодом 1/30 с. Среди более 700 известных сейчас пульсаров еще только один – в созвездии Парусов (Vela) – демонстрирует оптические вспышки. Выяснилось, что феномен пульсара связан c нейтронными звездами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса ядер массивных звезд. Имея диаметр около 15 км и массу как у Солнца, нейтронная звезда быстро вращается и как маяк периодически «освещает» Землю. Постепенно скорость вращения пульсара замедляется, период между импульсами возрастает, а их мощность падает. Иногда наблюдаются резкие сбои периода, когда у нейтронной звезды происходит перестройка структуры, называемая «звездотрясением». См. также НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА; ПУЛЬСАР.

Параболические антенны.

Первые послевоенные радиотелескопы имели параболические антенны, т.е. напоминали «тарелки» военных радаров. До сих пор это наиболее распространенный тип антенны для наблюдений в широком диапазоне длин волн. Качество радиотелескопа в основном определяется его чувствительностью и разрешающей способностью. Чувствительность – это способность регистрировать предельно слабые сигналы. Она зависит от апертуры антенны (т.е. ее собирающей площади), от диаграммы направленности антенны (способности выделять сигнал с определенного направления на фоне сигналов, приходящих со всех других направлений) и от величины собственных шумов приемника. В диапазоне длинных волн шумы приемников невелики, но на коротких волнах это становится серьезной проблемой.

Разрешающая способность, или, просто, разрешение телескопа – это его способность разделить сигналы от двух близких по направлению источников. Минимальный угол (в радианах) между такими источниками определяется отношением длины волны излучения к диаметру телескопа. Если антенна диаметром 300 м используется для наблюдения на волне длиной 1 м, то ее разрешение составляет около 1/300 радиана или 11ў. Это заметно хуже, чем у человеческого глаза (около 1ў) и намного хуже, чем у крупных оптических телескопов (менее 1ўў). Для увеличения разрешающей способности стремятся использовать антенны большого диаметра на короткой длине волны. Однако при этом возникает серьезная проблема: если форма антенны отличается от идеального параболоида более чем на 1/15 длины волны, то такая антенна не может точно фокусировать приходящее излучение.

Крупнейшая полноповоротная параболическая антенна диаметром 100 м находится близ Бонна (Германия). Она работает на волнах сантиметрового диапазона. Подобные антенны диаметром 70–90 м имеются в США, Англии, России и Австралии. Создать более крупную подвижную антенну не удается из-за проблем деформации под действием собственного веса. Поэтому крупнейшая в мире 305-метровая антенна радиотелескопа в Аресибо неподвижно лежит в земляной чаше, имеющей в центре глубину 137 м. Она осматривает небо благодаря вращению Земли и перемещению ее облучателя относительно вертикали на 20°. Форма рефлектора этой антенны не параболическая (при которой он фокусировал бы излучение, приходящее лишь с одного направления), а сферическая, одинаково пригодная для фокусировки лучей, приходящих с любого направления. Обладая огромной площадью, этот радиотелескоп самый чувствительный в мире; работая как радиолокатор, он может «дотянуться» до Сатурна.

Стремясь повысить разрешающую способность радиотелескопов, создают антенны сложной формы: например, в виде параболического цилиндра, вытянутого вдоль поверхности Земли и имеющего высокое разрешение в горизонтальном направлении и низкое – в вертикальном; или в виде кольца, представляющего как бы обод параболической антенны без ее средней части, как у радиотелескопа РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории АН России диаметром 600 м. Такие конструкции называют антеннами с незаполненной апертурой. Еще более сложными являются многоапертурные радиотелескопы – «антенные решетки», – состоящие из нескольких антенн, направленных на один объект и суммирующих принятые сигналы.

Природные источники фонового космического излучения

• излучения возбужденных нейтрино (как электронных, так и мюонных),
• реакция аннигиляции пары электронных нейтрино-антинейтрино,
• реакции распада мюонного нейтрино в электронное с испусканием фотонов (нейтринные осцилляции),
• излучения отдельных атомов или молекул,
• излучения молекул нейтринного газа (связанных состояний из нескольких электронных нейтрино).

При этом нейтрино будет переходить в возбужденные состояния как от столкновения с другим нейтрино, так и от прохождение через нейтрино фотонов видимого, ультрафиолетового, инфракрасного и других диапазонов, для которых энергия фотона превосходит величину энергии возбуждения нейтрино. Тем самым источником возбуждения нейтрино является и свет, идущий от удаленных галактик, т.е. красное смещение.

Наблюдения реликтового излучения

Радиотелескопы в Антарктиде:

• DASI (Degree Angular Scale Interferometer) (США)
• South Pole Telescope (SPT, «Южный Полярный Телескоп» (ЮПТ), «Телескоп южного полюса») (США)

Космические радиотелескопы:

• РЕЛИКТ-1 (СССР, 1983—1984)
• COBE (США, 1989—1996)
• WMAP (США, 2001—2009)
• Планк (ЕС, 2009—2010, н.в.)

Анализ

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Розовая область показывает теоретические предсказания.

Анализ реликтового излучения с целью получения его карт, углового спектра мощности, а в конечном итоге космологических параметров, является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, представляющим разложение фона по сферическим гармоникам, на практике трудно учитывать шумовые эффекты.

Для анализа данных используются специализированные пакеты:

Каждый пакет использует свой формат хранения карты реликтового излучения и свои методы обработки.