Горячий вариант Вселенной и реликтовое излучение

Горячий вариант Вселенной и реликтовое излучение. До настоящего времени расматривались 2 теории происхождения Вселенной. Они отличаются начальными условиями и носят название холодного и горячего варианта 2, c. 98 . В предположении холодного варианта начальная энтропия Вселенной S 0. Это предположение соответствует тому, что при отсутствии в 30-е годы теории сверхплотного состояния вещества, всё вещество во Вселенной до начала её расширения представлялось в виде холодных нейтронов.

Однако в таком предположении через некоторое время после Большого взрыва всё вещество превратиться в гелий. Этот вывод резко противоречит наблюдениям. Другой вариант был предложен в работах Гамова и его соавторов в 40-50-х годах. Это так называемый горячий вариант начальной стадии расширения Вселенной. В этом варианте энтропия вселенной велика S 1. При такой энтропии в веществе много энергичных фотонов. Они-то и разбивают дейтерий, который образуется при слиянии протона и нейтрона, обрывая в самом начале цепочку реакций, ведущую к синтезу гелия. Когда Вселенная, расширяясь, достаточно охлаждается, то некоторое количество дейтерия еще сохраняется что и приводит к синтезу гелия.

Соотношение водорода и гелия в горячей модели Вселенной составляет 70 и 30 соответственно, что находится в хорошем соответствии с наблюдениями. В процессе космологического расширения вещества температура его падает, падает и температура излучения, но всё же к настоящему моменту должно остаться электромагнитное излучение с температурой в разных вариантах теории от долей градусов до 20-30 К. Такое излучение, которое должно оставаться с древних эпох эволюции Вселенной, получило название реликтового излучения РИ . Электромагнитное излучение с такой малой температурой представляет собой радиоволны с длиной волны в сантиметровом и милиметровом диапазонах.

Первые теоретические оценки ожидаемой темпрературы РИ содержатся ещё в работах Гамова и Алфера, выполненных в 50-х годах.

Они указывали цифру около 5 К. В работе советских астрофизиков А.Г. Дорошенко и И.Д. Новикова было впервые рассчитано, насколько интенсивность РИ должна превышать в сантиметровой области спектра интенсивность излучения радиогалактик и других источников. Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. сотрудниками американской компании Bell Пензиасом и Вилсоном при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдения спутника Эхо. Они обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса, не зависящий от направления антенны.

Дикке, Пиблс. Ролл и Вилкинсон сразу же дали космологическое объяснение измерениям Пензиаса и Вилсона, как доказательства горячей модели Вселенной. В это время Дикке и его сотрудники сами изготовили аппаратуру для поисков радиофона от РИ на длине волны 3 см. Первые наблюдения Пензиаса и Вилсона были проведены на волне 7,35 см. Они показали, что температура излучения составляет около 3 К. В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн от десятков сантиметров до долей миллиметра.

Наблюдения показали, что спектр излучения равновесный, как это и предсказывалось теорией горячей Вселенной. Он соответствует формуле Планка для равновесного излучения с температурой 3 К. Интересно отметить, что первое проявление РИ астрономы обнаружили ещё в 1941 г. Астрофизик Мак-Келлар отметил, что радикалы циана в межзвёздном газе находятся в возбуждённом вращательном состоянии, соответствующем температуре возбуждения 2,3 К. Что возбуждает молекулы, тогда оставалось неясным.

После открытия РИ Шкловский и независимо Филд, Тадеуш и Вулф объяснили это возбуждение молекул РИ. Наблюдение соответствующих молекулярных линий в спектре CN помогло вычислить температуру РИ на волне л 0,26 см. Спектр РИ приведен на рис. 1. Рис. 1. Спектр реликтового излучения 2, c. 103 . Точные измерения не обнаружили отклонений в интенсивности реликтового излучения в разных направлениях с относительной точностью 10-4. За исключением небольшой неодинаковости интенсивности РИ в двух противоположных направлениях, вызванных движением Солнца со скоростью 370 км с. РИ не возникло в каких либо источниках подобно свету звёзд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках.

РИ существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности. Можно подсчитать число фотонов РИ , находящегося в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Концентрация этих фотонов Nри 500 см-3. Средняя плотность вещества во Вселенной 10-30 г см-3 , т.е. в 1 кубическом сантиметре 1 атом. Это значит, что, если бы мы распределили все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре оказался бы один атом водорода напомним, что масса водорода - наиболее распространенного элемента Вселенной составляет около 10-24 г В то же время в кубическом метре содержиться около миллиарда фотонов реликтового излучения.

Отношение числа квантов электромагнитных волн к числу тяжёлых частиц характеризует энтропию Вселенной.

В нашем случае это отношение равно S 109 1 109 Таким образом энтропия Вселенной огромна. Кроме того, она практически не меняется в течении эволюции Вселенной. Открытие РИ является грандиозным достижением современной накуки. Оно позволяет сказать, что на ранних стадиях расширения Вселенная была горячей. Предсказание РИ было сделано в рамках теории расширяющейся Вселенной, поэтому его открытие показывает правильность пути, указанного работами А.А. Фридмана.