Открытие космического микроволнового фонового излучения

Открытие космического микроволнового фонового излучения представляет собой важное достижение в современной физической космологии . В 1964 году американский физик Арно Аллан Пензиас и радиоастроном Роберт Вудро Вильсон открыли космический микроволновый фон (CMB) , оценив его температуру в 3,5 К, в ходе экспериментов с рупорной антенной Холмдела . Новые измерения были приняты как важное доказательство горячей ранней Вселенной ( теория большого взрыва ) и как свидетельство против конкурирующей теории устойчивого состояния. как теоретическая работа около 1950 г. показал необходимость реликтового излучения для обеспечения совместимости с простейшими релятивистскими моделями Вселенной . В 1978 году Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике за совместные измерения. в 1941 году было проведено измерение космического фонового излучения (CMB) Ранее Эндрю МакКелларом при эффективной температуре 2,3 К с использованием звездных линий поглощения CN, наблюдаемых У. С. Адамсом. Хотя МакКеллар не упоминает CMB, это произошло намного позже. после измерений Пензиаса и Вильсона стало понятно значение этого измерения.

История

Хронологическое руководство см. в разделе «Хронология астрономии космического микроволнового фона» .

Рупорная антенна Bell Labs на Кроуфорд-Хилл в Холмделе, штат Нью-Джерси. В 1964 году, используя рупорную антенну, Пензиас и Уилсон наткнулись на микроволновое фоновое излучение, пронизывающее Вселенную.

К середине 20-го века космологи разработали две разные теории, объясняющие возникновение Вселенной. Некоторые поддерживали теорию устойчивого состояния , которая утверждает, что Вселенная существовала всегда и будет продолжать существовать без заметных изменений. Другие верили в теорию Большого взрыва , которая утверждает, что Вселенная возникла в результате массивного события, похожего на взрыв, миллиарды лет назад ( позже было установлено, что это произошло примерно 13,8 миллиарда лет ).

В 1941 году Эндрю МакКеллар использовал спектроскопические наблюдения У.С. Адамса линий поглощения CN в спектре звезды типа B для измерения фоновой температуры черного тела 2,3 К. МакКеллар назвал свое обнаружение «вращательной» температурой межзвездных молекул». без ссылки на космологическую интерпретацию, заявляя, что температура «будет иметь свое, возможно, ограниченное значение».

Более двух десятилетий спустя, работая в лаборатории Bell Telephone Laboratories на вершине Кроуфорд-Хилл в Холмделе, штат Нью-Джерси , в 1964 году, Арно Пензиас и Роберт Уилсон экспериментировали со сверхчувствительной 6-метровой (20 футов) рупорной антенной, первоначально созданной для обнаружения радиоволн. отраженных от спутников-зондов «Эхо» . Чтобы измерить эти слабые радиоволны, им пришлось устранить все заметные помехи в приемнике. Они устранили эффекты радиолокации и радиовещания , а также подавили помехи от тепла в самом приемнике, охладив его жидким гелием до −269 °C, что всего на 4 К выше абсолютного нуля .

Когда Пензиас и Уилсон обработали свои данные, они обнаружили низкий, устойчивый, загадочный шум , который сохранялся в их приемнике. Этот остаточный шум был в 100 раз интенсивнее, чем они ожидали, равномерно распространялся по небу и присутствовал днем ​​и ночью. Они были уверены, что обнаруженное ими излучение на длине волны 7,35 сантиметра исходило не от Земли , Солнца или нашей галактики . После тщательной проверки оборудования, удаления голубей гнездившихся в антенне и очистки скопившегося помета шум остался. Оба пришли к выводу, что этот шум исходил из-за пределов нашей галактики, хотя им не было известно о каком-либо радиоисточнике , который мог бы его объяснить.

В то же время Роберт Х. Дике , Джим Пиблс и Дэвид Уилкинсон , астрофизики из Принстонского университета, расположенного всего в 60 км (37 миль), готовились к поиску микроволнового излучения в этой области спектра. Дикке и его коллеги пришли к выводу, что Большой взрыв должен был рассеять не только материю, которая сконденсировалась в галактики, но также выпустить огромную вспышку радиации. При наличии соответствующих приборов это излучение должно быть обнаружено, хотя и в виде микроволн, из-за огромного красного смещения .

Когда его друг Бернард Ф. Берк , профессор физики Массачусетского технологического института , рассказал Пензиасу о виденном им препринте Джима Пиблза о возможности обнаружения радиации, оставшейся от взрыва, который заполнил Вселенную в начале ее существования, Пензиас и Уилсон начал осознавать значение того, что, по их мнению, было новым открытием. Характеристики излучения, обнаруженного Пензиасом и Уилсоном, в точности соответствуют излучению, предсказанному Робертом Дике и его коллегами из Принстонского университета. Пензиас позвонил Дике в Принстон, и тот немедленно прислал ему копию все еще неопубликованной статьи Пиблса. Пензиас прочитал статью, снова позвонил Дике и пригласил его в лабораторию Белла посмотреть на рупорную антенну и послушать фоновый шум. Дикке, Пиблс, Уилкинсон и П.Г. Ролл интерпретировали это излучение как признак Большого взрыва.

Чтобы избежать потенциального конфликта, они решили опубликовать свои результаты совместно. Две заметки были отправлены в Astrophysical Journal Letters . В первом Дикке и его коллеги подчеркнули важность космического фонового излучения как обоснования теории Большого взрыва. Во второй записке, совместно подписанной Пензиасом и Уилсоном и озаглавленной «Измерение избыточной температуры антенны при 4080 мегагерцах в секунду», они сообщили о существовании остаточного фонового шума высотой 3,5 К, оставшегося после учета компонента поглощения неба в 2,3 К. и инструментальный компонент 0,9 К, и приписал «возможное объяснение», данное Дикке в его сопроводительном письме.

В 1978 году Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике за совместное открытие. Они разделили премию с Петром Капицей , который получил ее за несвязанную работу. В 2019 году Джим Пиблз также был удостоен Нобелевской премии по физике «за теоретические открытия в физической космологии».

Библиография

• Ааронсон, Стив (январь 1979 г.). «Свет творения: интервью с Арно А. Пензиасом и Робертом В. Уилсоном». Рекорд Bell Laboratories : 12–18.
• Абелл, Джордж О. (1982). Исследование Вселенной. 4-е изд . Филадельфия: Издательство Saunders College. ISBN  9780030585029 .
• Азимов, Исаак (1982). Биографическая энциклопедия науки и техники Азимова. 2-е изд . Нью-Йорк: Doubleday & Company, Inc.
• Бернштейн, Джереми (1984). Три градуса выше нуля: лаборатории Белла в век информации . Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. ISBN  978-0-684-18170-7 .
• Браш, Стивен Г. (август 1992 г.). «Как космология стала наукой». Научный американец . 267 (2): 62–70. Бибкод : 1992SciAm.267b..62B . doi : 10.1038/scientificamerican0892-62 .
• Чоун, Маркус (29 сентября 1988 г.). «Космическая реликвия в трех степенях». Новый учёный . 119 : 51–55. Бибкод : 1988NewSc.119...51C .
• Кроуфорд, AB; Хогг, округ Колумбия; Хант, Л.Е. (июль 1961 г.). «Проект Эхо: антенна с рупорным отражателем для космической связи». Технический журнал Bell System . 40 : 1095–1099. дои : 10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x .
• Дисней, Майкл (1984). Скрытая Вселенная . Нью-Йорк: Издательская компания Macmillan. ISBN  978-0-02-531670-6 .
• Феррис, Тимоти (1978). Красный предел: В поисках края Вселенной. 2-е изд . Нью-Йорк: Quill Press.
• Фридман, Герберт (1975). Удивительная Вселенная . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное географическое общество. ISBN  978-0-87044-179-0 .
• Привет, Дж.С. (1973). Эволюция радиоастрономии . Neale Watson Academic Publications, Inc. Нью-Йорк: ISBN  978-0-88202-027-3 .
• Ястроу, Роберт (1978). Бог и астрономы . Нью-Йорк: WW Norton & Company, Inc. ISBN  978-0-393-01187-6 .
• Кирби-Смит, ХТ (1976). Обсерватории США: справочник и путеводитель . Нью-Йорк: Компания Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN  978-0-442-24451-4 .
• Ученик, Ричард (1981). Астрономия через телескоп . Нью-Йорк: Компания Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN  978-0-442-25839-9 .

Внешние ссылки

• « Рупорная антенна для астрономии и астрофизики ». Служба национальных парков, Министерство внутренних дел.