Анізотропія реліктовоговипромінювання як індикатор раннього Всесвіту
Проблема структуризації Всесвіту
Планківський характер спектра реліктового випромінювання є свідченням існування у минулому стану локальної термодинамічної рівноваги (ЛТР) між квантами та космічною плазмою. Ця умова дозволяє побудувати детальну теплову історію раннього Всесвіту із зазначенням характерних етапів, коли відбувалася зміна якісного складу матерії внаслідок взаємоперетворень різноманітних елементарних частинок. Однак, у міру наближення до сучасного стану рівновага між плазмою та випромінюванням неминуче мало зруйнуватися, адже розширення Всесвіту одночасно є і джерелом охолодження речовини. Охолодження космічної плазми призводить до незворотних змін її складу – вільні електрони захоплюються протонами та утворюють нейтральні атоми водню. Цей процес відіграє вирішальну роль у динаміці формування анізотропії реліктового випромінювання, оскільки різке зменшення концентрації вільних носіїв заряду (електронів та протонів) "вимикає" реліктове випромінювання із взаємодії з речовиною. При цьому спектр реліктового випромінювання "консервує" в собі інформацію про властивості поверхні останнього розсіювання квантів на вільних носіях заряду. Які ж властивості цієї "поверхні"? Це питання, незважаючи на його простоту, протягом майже 30 років визначало вектор розвитку одного з найбільш бурхливо прогресуючих напрямків позагалактичної радіоастрономії, стимулюючи як теоретичні, так і експериментальні дослідження. Справа в тому, що саме властивості поверхні останнього розсіювання квантів на електронах є ключем до вирішення найважливішої проблеми астрофізики, та й всього природознавства – як і чому у Всесвіті, що розширюється, виникли різні структурні формисамоорганізації матерії? Коріння цієї проблеми сягає глибоко в історію астрономії та фізики, до епохи Галілео Галілея та Ісаака Ньютона, коли перший, за допомогою найпростішого телескопа, суттєво розширив горизонти вивчення космосу, а другий, відкривши закон всесвітнього тяжіння, показав, що небесні тіла рухаються (і є) завдяки гравітації матерії.
Темпи гравітаційної нестійкості щодо Є.М. Ліфшицю
У 1946 році радянський фізик Є.М. Ліфшиц детально досліджував питання про темп гравітаційної нестійкості в Всесвіті, що розширюється. Основні висновки його роботи зводилися до наступного. Справді, космологічне розширення призводить до зменшення швидкості наростання амплітуди неоднорідностей. Але середня щільність матерії зменшується у часі ще швидше. Отже, контраст щільності все-таки зростає, хоч і значно повільніше, порівняно з наївним результатом, що базується на ідеї Джеймса Джинса. На перший погляд, чисто кількісна відмінність – замість сильного лише відносно слабкий темп зростання флуктуацій. Однак за цією відмінністю криються фундаментальні фізичні наслідки. І насамперед – структура у Всесвіті не є продуктом посилення звичайних статистичних флуктуацій густини речовини! Звідси висновок – для розвитку структур у Всесвіті, що розширюється, рівня статистичних флуктуацій недостатньо, а отже, в первинній космічній плазмі повинні існувати малі нерівноважні флуктуації, рівень яких, однак, перевищує природний рівноважний фон на десятки порядків! Нагадаємо, що це – 1946 рік. До відкриття реліктового випромінювання ще потрібно почекати майже двадцять років, а до експериментального виявлення цих флуктуацій майже всі 50!. Відразу ж виділимо двіпроблеми, що випливають з аналізу гравітаційної нестійкості в Всесвіті, що розширюється: - яка повинна бути природа нерівноважних флуктуацій і які фізичні механізми генерації, хоча і слабкої в абсолютному вимірі, але гігантської, в порівнянні зі статистичними шумами, початкової неоднорідності? – яким чином можна перевірити гіпотезу про існування саме такої догалактичної іррегулярності у розподілі речовини?
Відправною точкою для відповіді на друге питання послужить вже згадане вище передбачення теорії Всесвіту, що розширюється, про те, що від епохи рекомбінації водню і аж до теперішнього моменту часу реліктове випромінювання поширюється в просторі вільно, без будь-якої прямої взаємодії з речовиною. Однак, за наявності слабкої (на рівні тисячних часток відсотка) неоднорідності у розподілі речовини, цей процес "забарвлений" двома важливими доповненнями. Насамперед догалактичні неоднорідності щільності в епоху рекомбінації водню рухаються щодо реліктового випромінювання з хаотичними швидкостями. Як наслідок, відокремлення плазми від випромінювання в епоху рекомбінації відбувається трохи по-різному в різних точках простору через вплив поля флуктуацій. Там де щільність речовини трохи вища за середню, вище і хаотичні швидкості руху плазми. Кванти випромінювання, відчуваючи "останнє розсіювання" на електронах у зоні неоднорідності, набувають додаткового імпульсу (а, отже, і енергію).
Таким чином, для різних напрямків на небі, які відповідають флуктуаціям інтенсивності реліктового випромінювання на поверхні останнього розсіювання, повинні виникати варіації рівня сигналу. Їхню величину прийнято називати рівнем кутової анізотропії реліктового випромінювання. Ця анізотропія"заморожується" в спектрі випромінювання в епоху рекомбінації водню і зберігається аж до теперішнього моменту часу, а механізм її генерації, обумовлений розсіюванням квантів на речовині, що рухається, коротко називають Доплер-ефектом.
Гравітаційне зміщення частоти квантів
Крім анізотропії, що формується неоднорідностями поверхні останнього розсіювання, істотну роль у формуванні картини розподілу інтенсивності реліктового випромінювання на небі грає гравітаційне зміщення частоти квантів у процесі їх поширення від епохи рекомбінації водню до спостерігача.
Проходячи через зони підвищеної та зниженої густини, яким відповідають неоднорідності гравітаційного потенціалу, кванти випромінювання відчувають "синє зміщення", при вході в зону підвищеної густини, і - "червоне зміщення" - при виході. Вплив Доплер-ефекту та гравітаційного зміщення розділені природним чином. Перший суттєвий у масштабах L 200 Мпс (q 1°). Таким чином, масштаби, відповідні спостерігається в даний час великомасштабної структури в розподілі речовини, формують анізотропію реліктового випромінювання на малих кутах під впливом розсіювання квантів на речовині, що рухається. У кутових масштабах більше 1° (і L>200 Мпс) неоднорідності у Всесвіті ще не встигли сформувати будь-яку структуру - необхідно "зачекати" певний проміжок часу, що перевищує сучасний вік Всесвіту в десятки разів, щоб і в цих масштабах виникли нові форми самоорганізації речовини
Завдання опису характеристики кутової анізотропії реліктового випромінювання на небесній сфері роздвоюється: - теоретики аналізують різні варіанти поведінки спектру анізотропії, з урахуванням деталей процесу перенесення квантів у слабко неодноріднійВсесвіту, типу догалактичних флуктуацій, динаміки рекомбінації водню тощо. Експериментатори, у свою чергу, намагаються виміряти анізотропію температури реліктового випромінювання на небесній сфері та підтвердити або спростувати передбачення теорії.
Виявлення анізотропії
Протягом майже тридцяти років це своєрідне змагання з незмінним успіхом вигравали теоретики - передбачуваний рівень анізотропії виявлявся суттєво нижчим за поріг чутливості радіотелескопів. Слід зазначити, проте, що таке відставання можливостей експерименту від прогнозів теорії не доставляло задоволення ні тій, ні інший " командам " . Адже чим більший розрив між теорією та експериментом, тим далі ми знаходимося від створення реалістичної теорії будови та еволюції Всесвіту. Протягом майже тридцяти років експеримент давав лише верхні обмеження на рівень анізотропії, проте, як і раніше, залишалося без відповіді питання - чи є вона взагалі? Віддаючи данину історії, не можна не згадати видатного внеску у розвиток експериментальних досліджень анізотропії реліктового випромінювання радянських радіоастрономів, і насамперед – груп Юрія Миколайовича Парійського (РАТАН-600), а також І.М.Струкова (ІКМ). Аж до 1985 року ці дві групи задавали тон у дослідженнях реліктового випромінювання, реалізувавши проекти "Холод" на найбільшому наземному телескопі РАТАН-600 та проект "Релікт" на супутнику серії "Прогноз". На жаль, як у першому, так і другому проектах досягнутий рівень чутливості виявився приблизно в 2-3 рази нижче, ніж потрібний для реєстрації сигналу. Однак досвід боротьби з шумами і дискретними джерелами перешкод космічного походження виявився дуже важливим для подальших наземних і супутникових експериментів. З 1992 року, після запуску американськогосупутника СОВЕ, про який вже йшлося дещо раніше, ситуація в експериментальній радіоастрономії змінилася радикальним чином. Встановлений на раді радіометр ДМР виявив анізотропію реліктового випромінювання в кутових масштабахq & 7°. Чотирирічна програма спостережень закінчилася повним успіхом – було побудовано детальну карту розподілу анізотропії реліктового випромінювання на небесній сфері. За цими картами було розраховано спектр анізотропії, який чудово узгоджувався з теоретичними прогнозами. Практично в цей же час були успішно завершені вимірювання спектру анізотропії і в діапазоні Доплерівського піку, виконані незалежно більш ніж десятьма групами. Який же головний висновок випливає з порівняння прогнозів теорії та експерименту? Перш за все, ми отримали надійне підтвердження справедливості уявлень про динаміку космічної плазми в Всесвіті, що розширюється, і існування нерівноважних початкових флуктуацій, гравітаційна нестійкість яких призвела до формування галактик і скупчень галактик. Крім того, ми переконалися, що фізичні закони, відкриті в земних умовах, чудово працюють і в космічних масштабах – висновок, значущість якого, можливо, навіть вища, ніж вирішення локальних проблем астрофізики. Нарешті, ми отримали можливість зазирнути в серце термоядерного котла раннього Всесвіту, маючи кількісні характеристики нерівноважних флуктуацій (амплітуду та спектр), а, отже, і обмеження на фізичні процеси, що призводять до появи цих флуктуацій. Фактично, анізотропія реліктового випромінювання перекинула своєрідний місток між мікро- та макрофізикою, стимулюючи розвиток нових напрямків фізики частинок високих енергій та високотемпературної плазми.