§ 3. Наблюдательное доказательство существования реликтового излучения

На рис. 28 и в табл. III суммировано большинство измерений, выполненных к концу 1972 г. Они располагаются в таблице в порядке уменьшения длины волны.

В третьем столбце приведена так называемая антенная температура обычно используемая радиоастрономами.

Рис. 28. Абсолютные измерения интенсивности реликтового излучения.

Эта температура вычисляется по наблюдаемому потоку на данной длине волны по рэлей-джинсовской формуле:

Если поток излучения равновесный, то соответствует истинной температуре излучения только при

В четвертом столбце приведена термодинамическая температура, вычисленная по формуле Планка:

Все цитированные измерения, за исключением № 16—18, выполнены на радиоастрономических инструментах. Наблюдения

ТАБЛИЦА 111 (см. скан) Наблюдение реликтового излучения

заключаются в измерении шума, возникающего в приемнике в результате потока РИ. Помехой являются все внутренние, а также атмосферные и галактические шумы. Аппаратура калибруется с помощью искусственной чернотельной полости при гелиевой температуре на входе антенны.

Галактический шум и фон от дискретных радиоисточников имеют падающий спектр (с различными спектральными индексами), поэтому для см поправки велики. Соответствующие точки, показывающие поток от РИ и от источников, даны на рис. 28 в левой части, трудно расширить измерения к длинным волнам, см.

На малых длинах волн сильны атмосферные шумы: при см они достигают Для еще более коротких длин волн приемник должен быть вынесен за пределы атмосферы. Измерения № 16—18 выполнены косвенным спектроскопическим методом с помощью оптических спектральных наблюдений линий

межзвездного Принцип этих наблюдений заключается в следующем. Молекулы с низколежащими уровнями возбуждения (обозначим энергию возбуждения через в межзвездном пространстве возбуждаются РИ с частотой В отсутствие столкновений равновесная концентрация возбужденных молекул и молекул на основном уровне есть где эффективная температура возбуждающего излучения. Концентрации и определяются по наблюдениям оптических линий поглощения этих молекул.

Интересно отметить, что еще в 1941 г. Мак-Келлар (1941) отметил, что молекула в межзвездном газе наблюдается не только в основном состоянии, но и в возбужденном вращательном состоянии, что соответствовало температуре возбуждения К этому выводу Мак-Келлар пришел, исследуя линии поглощения межзвездного газа в спектре звезды Ophiuchi. Объяснение этого явления оставалось неясным. Только после открытия реликтового излучения Тадеуш и Клаузер (1966), Филд и Хитчкок (1966а, б) объяснили этот факт как возбуждение межзвездных молекул РИ. Затем аналогичный эффект был обнаружен в межзвездных линиях звезды Persei, а затем Тадеуш с сотрудниками (см. № 18 в таблице) обнаружили его в спектрах 11 звезд в разных направлениях на небесной сфере. Это доказывает повсеместное действие возбуждающего фактора в Галактике, что укрепляет представление о том, что этим фактором является РИ. Для молекул и а также для других уровней соответствующие возбужденные состояния не найдены, хотя основные состояния этих молекул наблюдаются. Поэтому можно дать лишь верхний предел температуры. Соответствующие пределы показаны на рис. 28 [Бортолот, Клаузер, Тадеуш (1969)]. Данные об интенсивности электромагнитного излучения в области длин волн около были получены [Шивананден, Хоук, Харвит (1968), Хоук, Харвит (1969а, б)] с помощью полупроводниковых болометров на ракетах, поднимающихся на высоту более Приемники были чувствительны к широкому диапазону длин волн — Измерения в течение нескольких полетов дали сенсационный результат: усредненный поток в этой области длин волн соответствует плотности энергии порядка Это значительно выше (примерно в 40 раз по плотности энергии) равновесного потока с Кроме того, если этот поток распределен непрерывно в указанной области длин волн и приходит к нам из космического пространства (а не возникает в верхней атмосфере или в Солнечной системе), то измерения противоречат верхним пределам на поток в этой области, полученным с помощью межзвездных молекул. Измерения не обнаружили какой-либо анизотропии потока. Согласия с молекулярными измерениями можно добиться, предполагая, что избыточное излучение сосредоточено в узких линиях, не совпадающих с линиями молекул.

В последующих публикациях этой группы измеренное значение плотности энергии в этой области спектра варьировалось, оставаясь выше равновесного. Полный поток, во много раз превышающий равновесный, зарегистрировали также Мюльнер и Вейсс (1970) в опытах на баллонах в одном из спектральных интервалов в инфракрасной области. Эти результаты привлекли большое внимание: если бы они были верны, то теория горячей Вселенной нуждалась бы в существенных дополнениях. Были поставлены дальнейшие, более тщательные измерения. Блейр и др. (1971) из Лос-Аламосской лаборатории поместили на ракету аппаратуру, охлажденную сверхтекучим гелием до температуры Они обнаружили поток, соответствующий температуре Затем последовала новая серия опытов на баллонах Мюльнера и Вейсса (1973) с усовершенствованной аппаратурой, они получили Обзор наблюдательных данных по коротковолновой части спектра РИ приведен у Тадеуша (1972). Наконец, недавно объявлено о новом результате другой Лос-Аламосской группы, измерения которой в инфракрасной области спектра согласуются с планковским спектром с

Вывод заключается в том, что первые измерения, давшие полностью опровергнуты. Наиболее точные измерения не противоречат полностью равновесному спектру реликтового излучения. Этот результат является важной частью теории горячей Вселенной, он говорит о малости отклонений от идеализированной фридмановской картины эволюции, указывает на реликтовое происхождение излучения. Было бы весьма желательно увеличить точность опытов по определению плотности и спектра излучения. Малые отклонения от планковского спектра можно связать с тепловыми процессами в реальной Вселенной, в которой есть возмущения и образуются галактики. Трудность опытов уравновешивается их принципиальным значением.

Учитывая трудности измерений в субмиллиметровой области, обратимся к более надежным длинноволновым наблюдениям

Квадратичная зависимость от совместимая с рэлей-джинсовским законом, проявляет себя в постоянном значении антенной температуры Та, приведенном в табл. III, вплоть до см. Но один этот факт еще не доказывает равновесного, планковского спектра. Можно представить себе дилютированный спектр

с более высокой температурой удовлетворяющий в рэлей-джинсовской области той же зависимости. Существуют процессы (см. следующую главу), которые искажают планковский спектр, сохраняя закон в длинноволновой области.

Поэтому точки и 0,264 см (№ 14—18 в табл. III) представляют большой интерес. При планковский закон сильно отклоняется от экстраполированного закона Рэлея — Джинса при Авторы этих измерений заявляют, что их измерения несовместимы со степенным законом, но хорошо согласуются с равновесным.

Имеется другое доказательство того, что излучение в диапазоне 50 см — 0,3 см не вызвано дискретными источниками, а потому является первичным, реликтовым. Доказательство дается идеальной изотропией излучения, полной независимостью потока от направления, отсутствием любых временных или угловых вариаций Более детальный обзор наблюдательных данных о степени изотропии реликтового излучения дан в работе Партриджа (1973).