книги из ГПНТБ / Шама Д.В. Современная космология

гий 102 1 эВ . Аналогично сильному поглощению были бы

З а к л ю ч е н ие

Явления, рассмотренные в этой главе, показывают

совершенно различных энергетических и временных мас­ штабов. Например, измерения потока фотонов фонового

татов, полученных в космологии и ядерной физике, по­

гией 101 4 эВ и протонов с энергией 102 2 эВ. Остается только удивляться, каковы ж е д о л ж н ы быть соотноше­ ния, которые пока ж д у т своего открытия.

Г Л А В А 16

И З О Т Р О П Н О С Т Ь К О С М И Ч Е С К О Г О М И К Р О В О Л Н О В О Г О И З Л У Ч Е Н И Я

Введение

Когда Пензиас и Уилсон впервые обнаружили из­

во всех направлениях. Точность, с которой была уста­ новлена эта изотропия, сначала была порядка 10%, но последующая обработка записей позволила уменьшить

имеет сильно асимметричную форму. С другой стороны, считалось, что в большом масштабе Вселенная вполне, изотропна, что говорило в пользу космологического про­ исхождения излучения. Однако Вселенная не строго изотропна, и поэтому возникает вопрос о возможных характерных угловых размерах неоднородностей и ве­ личине флуктуации фонового излучения. Последующее изучение этого вопроса на основе наблюдательных дан­ ных дало точность намного лучше 3%. Эти измерения представляют собой наиболее точные измерения, когда-

рода, связанную со структурой Вселенной в различных масштабах . Именно эти новые вопросы мы бы и хотели рассмотреть в нашей заключительной главе.

Чтобы оценить важную роль углового распределения фонового излучения, полезно вспомнить, что в период, когда наблюдаемое теперь излучение находилось в областях, которые теперь имеют относительно нас большие красные смещения, оно сильно взаимодейство­ вало со свободными электронами вследствие эффекта

242 ГЛАВА 16

Томсона (стр. 188). Излучение перестает эффективно рас­ сеиваться при красном смещении го, которое зависит от

ного пробега в полностью ионизованной Вселенной вы­ сокой плотности). С этой точки зрения мы можем счи­ тать электроны, которые последними эффективно рас­ сеяли излучение, источниками излучения, подобно тому

о поверхности, на которой происходит последнее рас­ сеяние, и о нашем положении относительно этой по­ верхности. Чтобы понять, что это за информация, мы должны рассмотреть различные эффекты, которые мо­ гут привести к анизотропии излучения.

И с т о ч н и ки анизотропии фонового излучения

Наиболее очевидным источником анизотропии яв­ ляется собственное движение наблюдателя. Д а ж е если излучение во всех других отношениях изотропно, оно не

такой наблюдатель регистрировал бы повышенную ин­ тенсивность излучения впереди, пониженную позади и характерную (косинусную) зависимость при промежу­

*) Это относится только к электромагнитному излучению. Ней­ трино с их крайне малым поперечным сечением рассеяния приходя.т прямо из центра Солнца, а также из областей с красным смещением намного больше zn.

вое распределение излучения. Поскольку небо повора­ чивается из-за вращения Земли, интенсивность фона в любой плоскости имела бы 24-часовой период с ам­ плитудой, зависящей от скорости наблюдателя и угла между вектором скорости и этой плоскостью.

Возможно также, что существует анизотропия, свой­ ственная самому излучению, которую невозможно устра­ нить никаким выбором движения наблюдателя . Напри ­ мер, если Вселенная расширяется с различными скоро­ стями в разных направлениях, то, как только излучение перестает взаимодействовать с веществом, скорость его остывания в различных направлениях становится неоди­

ражении от разных пар противоположных поверхностей, обладающих различными скоростями; скорости проти­ воположных поверхностей равны по величине и направ ­

чения в противоположных направлениях была бы оди­ наковой и изменялась бы в любой плоскости с 12-часо­ вым периодом. Мы должны т а к ж е учесть эффекты, воз­ никающие вследствие рассеяния излучения на повторно нагретом межгалактическом газе в анизотропной Все­

Во-первых, неоднородной может быть поверхность, на которой происходит последнее рассеяние, на ней может меняться или сама интенсивность, или скорость электро­ нов. В последнем случае возникает допплеровское сме­ щение, зависящее от направления наблюдения. Во-вто­ рых, м е ж д у нами и поверхностью рассеяния могут на­ ходиться неоднородности плотности. Действие таких не-

244 ГЛЛВЛ IG

вопросу ниже; здесь мы отметим только, что это был бы эффект гравитационного красного смещения.

Подводя итог, можно сказать, что есть три основных источника анизотропии в фоновом излучении: 1) собст­ венное движение наблюдателя, которое дает 24-часовой период; 2) анизотропия расширения (однородной) Все­ ленной, которая дает 12-часовой период, п 3) неоднород­ ности во Вселенной, которые приводят к неправильному угловому распределению.

Рассмотрим теперь наблюдения, которые имеют от­ ношения к этим типам углового распределения.

Н а б л ю д а т е л ь н ы е пределы на анизотропию фонового излучения

1. 24-часовой период. Поиски анизотропии с 24-часо­ вым периодом в плоскости, близкой к небесному эква­ тору, были предприняты Партриджем и Уилкинсоном,

Рис. 67. Распределение температуры фона вдоль небесного эква­ тора, согласно Партриджу и Уилкинсону. Усреднены данные почти двухлетнего периода наблюдений, которые проводились в Принстоне и Юме. Флуктуации около среднего уровня не могут быть признаны значащими.

Конклином и Генри. Измерения такого типа могут дать более высокую точность по сравнению с абсолютными измерениями температуры фона, так как здесь мы имеем дело со сравнением различных областей неба и

проблема калибровки не столь важна . П а р т р и д ж и Уилкинсон не нашли анизотропии с точностью 0,03+0,07%

или холодных пятен с точностью 0,5%. Конклин и

ли определить предел на флуктуации фона меньше 0,2% для угловых размеров около 1°. В более поздней ра­ боте им удалось снизить этот предел до 0,05%**) и по­ лучить специальным методом пределы для масштабов

флуктуации, возникающих вследствие наличия дискретных

*) Конклин и Генри оба сообщили о положительном резуль­ тате, полученном на пределе точности наблюдений, однако его до­ стоверность не является пока общепринятой.

**) Наблюдения 10. Н. Парийского и Т. Б. Пятуниной в Пулко­ ве уменьшили этот предел еще на порядок. — Прим. перев.

246 ГЛАВА 16

неоднородности поверхности, на которой происходит по­

вариаций фона дает предел на скорость Солнца в на­ правлении, близком к небесному экватору, равный 300 км/с. Этот результат чрезвычайно важен. Чтобы по­ нять это, мы должны сначала ответить на вопрос: от­ носительно чего измерена эта скорость? П р е ж д е всего относительно самого поля излучения, которым и можно определить покоящуюся систему отсчета. Однако непо­ средственным источником поля являются электроны на поверхности, на которой происходит последнее эффек­

логично тому, как видимая поверхность Солнца не яв­ ляется строго поверхностью. Тем не менее для многих целей достаточно рассматривать вещество, удаленное на расстояние средней длины свободного пробега, как эф ­ фективный источник излучения. Красное смещение этого вещества по крайней мере 7 (стр. 242). Мы можем по­

рый мы кратко ссылались на стр. 167; подробнее он

локальными инерциальными системами являются те си­ стемы, которые не имеют ускорения относительно основ­ ной массы материи во Вселенной. В частности, невращающиеся системы отсчета, т. е. те, которые не вызы­

щающиеся системы идентичны. Знакомый пример такой

ный инструмент для определения невращающейся си­ стемы отсчета. Современные гироскопы лучше, но все лее их точность пока недостаточна. Молено ожидать, что она значительно повысится с применением сверхпрово­ дящих гироскопов, но в настоящий момент невращаю - щаяся система отсчета с наибольшей точностью опре­ деляется вращением Галактики. Угловая скорость вра­ щения Галактики в районе Солнца около 0,5" в столе­ тие и центробежные силы, возникающие во в р а щ а ю ­

скорость является скоростью относительно динамически невращающейся системы отсчета. Вращение Галактики молено определить не только динамически, из ее сплюс­ нутой формы, но т а к ж е и кинематически, наблюдая дви­ жение звезд, которые расположены так далеко от ее

лить вращение Галактики, используя галактики и ква­ зары, а не далекие звезды. Динамические и кинемати­

стью относительно далекой материи, следовательно, от­ носительно поля фонового излучения; поэтому, как указали П а р т р и д ж и Уилкинсон, небольшое увеличение точности, с которой могут быть измерены 24-часовые вариации интенсивности фона, должно привести к

Однако есть некоторые сложности. Галактика как це­ лое может иметь относительно поля фонового излучения как поступательную, так и вращательную скорость. По­ лагают, что это действительно так. Анализ скоростей галактик Местной системы показывает, что скорость на­ шей Галактики относительно Местной системы как це­ лого около 100 км/с. Кроме того, есть некоторое указа ­ ние на принадлежность Местной системы к сверхскоп­ лению галактик, центр которого лежит в скоплении в

ние недавно было заново проанализировано с учетом современных данных о расстояниях и скоростях бли­ ж а й ш и х галактик. Результаты получились совершенно неопределенные; по-видимому, Местная система может вращаться вокруг скопления в созвездии Девы со ско­

с известным вращением Галактики. К тому же, воз­

Если будет можно отделить эти маскирующие эф­ фекты и окажется, что сверхскопление вращается с пред­

такого ж е порядка, что и скорость вращения Солнца во­ круг центра Галактики, угловая скорость Местной си­ стемы должна быть гораздо меньше угловой скорости

наблюдений 24-часовых вариаций фона обнаружится вращение сверхскопления, то это проверит принцип Маха с точностью до 10~3 " в столетии, что в 500 раз превышает существующую в настоящий момент. Таким