Die Reliquienstrahlung bestätigt. Hintergrundstrahlung des Universums

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RELIKTSTRAHLUNG, kosmische elektromagnetische Strahlung, die von allen Seiten des Himmels mit ungefähr gleicher Intensität auf die Erde eintrifft und ein Spektrum aufweist, das für die Strahlung eines absolut schwarzen Körpers bei einer Temperatur von etwa 3 K (3 Grad auf der absoluten Kelvin-Skala, was entspricht) charakteristisch ist –270 °C). Bei dieser Temperatur fällt der Großteil der Strahlung auf Radiowellen im Zentimeter- und Millimeterbereich. Die Energiedichte der Reliktstrahlung beträgt 0,25 eV / cm 3.

Experimentelle Radioastronomen nennen diese Strahlung lieber "kosmischer Mikrowellenhintergrund" (CMB). Theoretische Astrophysiker nennen es oft "Reliktstrahlung" (der Begriff wurde vom russischen Astrophysiker IS Shklovsky vorgeschlagen), da diese Strahlung im Rahmen der heute allgemein akzeptierten Theorie eines heißen Universums in einem frühen Stadium der Expansion unserer Welt entstanden ist , als seine Substanz praktisch homogen und sehr heiß war. Manchmal findet man in der wissenschaftlichen und populären Literatur auch den Begriff "drei Grad kosmische Strahlung". Im Folgenden nennen wir diese Strahlung „Relikt“.

Die Entdeckung der Reliktstrahlung im Jahr 1965 war von großer Bedeutung für die Kosmologie; sie wurde zu einer der wichtigsten Errungenschaften der Naturwissenschaft des 20. Jahrhunderts. und mit Abstand die wichtigste für die Kosmologie seit der Entdeckung der Rotverschiebung in den Spektren von Galaxien. Schwache Reliktstrahlung bringt uns Informationen über die ersten Momente der Existenz unseres Universums, über jene ferne Epoche, als das gesamte Universum heiß war und es keine Planeten, Sterne oder Galaxien gab. Detaillierte Messungen dieser Strahlung, die in den letzten Jahren mit Hilfe von bodengestützten, stratosphärischen und Weltraumobservatorien durchgeführt wurden, öffnen den Schleier über das Geheimnis der Geburt des Universums.

Theorie des heißen Universums.

1929 entdeckte der amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889-1953), dass sich die meisten Galaxien von uns entfernen, und zwar je schneller, je weiter sich die Galaxie befindet (Hubble-Gesetz). Dies wurde als eine allgemeine Expansion des Universums interpretiert, die vor etwa 15 Milliarden Jahren begann. Es stellte sich die Frage, wie das Universum in der fernen Vergangenheit aussah, als die Galaxien gerade anfingen, sich voneinander zu entfernen, und noch früher. Obwohl der mathematische Apparat, der auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie basiert und die Dynamik des Universums beschreibt, bereits in den 1920er Jahren von Willem de Sitter (1872–1934), Alexander Friedman (1888–1925) und Georges Lemaitre (1894–1966) entwickelt wurde, über das Physikalische war der Zustand des Universums in der frühen Epoche seiner Entwicklung unbekannt. Es gab nicht einmal die Gewissheit, dass es einen bestimmten Moment in der Geschichte des Universums gab, der als "Beginn der Expansion" angesehen werden konnte.

Die Entwicklung der Kernphysik in den 1940er Jahren ermöglichte die Entwicklung theoretischer Modelle der Entwicklung des Universums in der Vergangenheit, als seine Materie auf eine hohe Dichte komprimiert werden sollte, bei der Kernreaktionen möglich waren. Diese Modelle mussten zunächst die Zusammensetzung der Materie des Universums erklären, die zu diesem Zeitpunkt bereits hinreichend zuverlässig aus Beobachtungen der Spektren von Sternen gemessen wurde: Sie bestehen im Durchschnitt zu 2/3 aus Wasserstoff und 1 /3 des Heliums und alle anderen chemischen Elemente zusammengenommen machen nicht mehr als 2 % aus. Die Kenntnis der Eigenschaften intranuklearer Teilchen - Protonen und Neutronen - ermöglichten es, Varianten des Beginns der Expansion des Universums zu berechnen, die sich im Anfangsgehalt dieser Teilchen und der Temperatur der Substanz und der Strahlung im thermodynamischen Gleichgewicht damit unterscheiden . Jede der Optionen ergab eine eigene Zusammensetzung der Ausgangssubstanz des Universums.

Lassen wir die Details weg, dann gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten für die Bedingungen, unter denen der Beginn der Expansion des Universums stattfand: Seine Substanz könnte entweder kalt oder heiß sein. Die Folgen von Kernreaktionen unterscheiden sich in diesem Fall grundlegend voneinander. Obwohl die Idee der Möglichkeit einer heißen Vergangenheit des Universums in seinen frühen Werken von Lemaitre zum Ausdruck kam, wurde die Möglichkeit eines Kaltstarts historisch zuerst in den 1930er Jahren in Betracht gezogen.

In den ersten Annahmen ging man davon aus, dass alle Materie im Universum zunächst in Form von kalten Neutronen existierte. Später stellte sich heraus, dass eine solche Annahme den Beobachtungen widerspricht. Tatsache ist, dass ein Neutron im freien Zustand durchschnittlich 15 Minuten nach seinem Auftreten zerfällt und sich in ein Proton, Elektron und Antineutrino verwandelt. Im expandierenden Universum würden die entstandenen Protonen beginnen, sich mit den noch verbliebenen Neutronen zu verbinden und die Kerne von Deuteriumatomen zu bilden. Außerdem würde eine Kette von Kernreaktionen zur Bildung von Kernen von Heliumatomen führen. Komplexere Atomkerne entstehen dabei, wie Berechnungen zeigen, praktisch nicht. Als Ergebnis würde alle Materie in Helium umgewandelt. Diese Schlussfolgerung steht in scharfem Widerspruch zu Beobachtungen von Sternen und interstellarer Materie. Der Überfluss an chemischen Elementen in der Natur weist die Hypothese einer beginnenden Expansion der Materie in Form von kalten Neutronen zurück.

Im Jahr 1946 wurde in den Vereinigten Staaten von dem Physiker russischer Herkunft Georgy Gamov (1904-1968) eine "heiße" Version der Anfangsstadien der Expansion des Universums vorgeschlagen. 1948 wurde die Arbeit seiner Mitarbeiter Ralph Alfer und Robert Herman veröffentlicht, in der Kernreaktionen in heißer Materie zu Beginn der kosmologischen Expansion betrachtet wurden, um den aktuell beobachteten Zusammenhang zwischen der Anzahl verschiedener chemischer Elemente und ihrer Isotope. In jenen Jahren war der Wunsch natürlich, den Ursprung aller chemischen Elemente durch ihre Synthese in den ersten Momenten der Evolution der Materie zu erklären. Tatsache ist, dass die Zeit, die seit Beginn der Expansion des Universums verstrichen ist, damals fälschlicherweise auf nur 2–4 Milliarden Jahre geschätzt wurde. Dies lag an dem überschätzten Wert der Hubble-Konstanten, der sich in diesen Jahren aus astronomischen Beobachtungen ergab.

Vergleicht man das Alter des Universums von 2–4 Milliarden Jahren mit dem geschätzten Alter der Erde – etwa 4 Milliarden Jahre – musste man annehmen, dass die Erde, die Sonne und die Sterne aus Primärmaterie mit einer vorgefertigten chemischen Zusammensetzung entstanden sind . Es wurde angenommen, dass sich diese Zusammensetzung nicht wesentlich änderte, da die Synthese von Elementen in Sternen ein langsamer Prozess ist und vor der Bildung der Erde und anderer Körper keine Zeit für ihre Umsetzung war.

Die anschließende Revision der Skala der extragalaktischen Entfernungen führte zu einer Revision des Alters des Universums. Die Theorie der Sternentwicklung erklärt erfolgreich den Ursprung aller schweren Elemente (schwerer als Helium) durch ihre Nukleosynthese in Sternen. Es besteht keine Notwendigkeit mehr, den Ursprung aller Elemente, einschließlich der schweren, in der frühen Phase der Expansion des Universums zu erklären. Die Essenz der Hypothese des heißen Universums erwies sich jedoch als richtig.

Andererseits beträgt der Heliumgehalt von Sternen und interstellarem Gas etwa 30 Masse-%. Dies ist viel mehr, als Kernreaktionen in Sternen erklären können. Dies bedeutet, dass Helium im Gegensatz zu schweren Elementen zu Beginn der Expansion des Universums synthetisiert werden sollte, jedoch gleichzeitig - in begrenzter Menge.

Der Grundgedanke von Gamows Theorie ist genau, dass die hohe Temperatur einer Substanz die Umwandlung aller Materie in Helium verhindert. Im Moment 0,1 s nach Beginn der Expansion betrug die Temperatur etwa 30 Milliarden K. In einer so heißen Substanz befinden sich viele Photonen hoher Energie. Die Dichte und Energie von Photonen ist so groß, dass es zu einer Wechselwirkung von Licht mit Licht kommt, die zur Bildung von Elektron-Positron-Paaren führt. Die Vernichtung von Paaren kann wiederum zur Produktion von Photonen sowie zum Auftreten von Paaren von Neutrinos und Antineutrinos führen. Dieser "brodelnde Kessel" enthält gewöhnliche Materie. Komplexe Atomkerne können bei sehr hohen Temperaturen nicht existieren. Sie würden sofort von den umgebenden energetischen Teilchen zerschmettert. Daher existieren schwere Materieteilchen in Form von Neutronen und Protonen. Wechselwirkungen mit energetischen Teilchen bewirken, dass sich Neutronen und Protonen schnell ineinander umwandeln. Die Reaktionen der Kombination von Neutronen mit Protonen laufen jedoch nicht ab, da der resultierende Deuteriumkern sofort von hochenergetischen Teilchen aufgebrochen wird. Durch die hohe Temperatur am Anfang wird die Kette gebrochen, was zur Bildung von Helium führt.

Erst wenn das sich ausdehnende Universum auf Temperaturen unter einer Milliarde Kelvin abkühlt, ist ein Teil des entstehenden Deuteriums bereits gespeichert und führt zur Heliumsynthese. Berechnungen zeigen, dass Temperatur und Dichte eines Stoffes so angepasst werden können, dass zu diesem Zeitpunkt der Neutronenanteil im Stoff etwa 15 Masse-% beträgt. Diese Neutronen verbinden sich mit der gleichen Anzahl von Protonen zu etwa 30% des Heliums. Der Rest der schweren Teilchen blieb in Form von Protonen - den Kernen von Wasserstoffatomen. Kernreaktionen enden nach den ersten fünf Minuten nach Beginn der Expansion des Universums. Später, wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Temperatur seiner Materie und Strahlung ab. Aus den Arbeiten von Gamow, Alfer und Herman aus dem Jahr 1948 folgte: Wenn die Theorie des heißen Universums die Entstehung von 30% Helium und 70% Wasserstoff als die wichtigsten chemischen Elemente der Natur vorhersagt, dann muss das moderne Universum zwangsläufig mit ein Überbleibsel ("Relikt") urzeitlicher heißer Strahlung, und die heutige Temperatur dieser Reliktstrahlung sollte etwa 5 K betragen.

Die Analyse verschiedener Varianten des Beginns der kosmologischen Expansion endete jedoch nicht mit der Gamow-Hypothese. In den frühen 1960er Jahren unternahm Ya B Zel'dovich einen genialen Versuch, zur kalten Version zurückzukehren, der vorschlug, dass die ursprüngliche kalte Materie aus Protonen, Elektronen und Neutrinos bestehe. Wie Zeldovich gezeigt hat, verwandelt sich eine solche Mischung bei Expansion in reinen Wasserstoff. Helium und andere chemische Elemente wurden nach dieser Hypothese erst später synthetisiert, als die Sterne entstanden. Beachten Sie, dass Astronomen zu diesem Zeitpunkt bereits wussten, dass das Universum um ein Vielfaches älter ist als die Erde und die meisten Sterne um uns herum, und die Daten über die Häufigkeit von Helium in der prästellaren Materie waren in diesen Jahren noch sehr unsicher.

Es scheint, dass die Suche nach Reliktstrahlung der entscheidende Test für die Wahl zwischen kalten und heißen Modellen des Universums werden könnte. Aber aus irgendeinem Grund versuchte viele Jahre nach der Vorhersage von Gamow und seinen Kollegen niemand bewusst, diese Strahlung zu erkennen. Es wurde 1965 ganz zufällig von Radiophysikern der amerikanischen Firma "Bell" R. Wilson und A. Penzias entdeckt, die 1978 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Zur Erkennung von CMB.

Mitte der 1960er Jahre untersuchten Astrophysiker weiterhin theoretisch das heiße Modell des Universums. Die Berechnung der erwarteten Eigenschaften der Reliktstrahlung wurde 1964 von A. G. Doroshkevich und I. D. Novikov in der UdSSR und unabhängig von F. Hoyle und R. J. Taylor in Großbritannien durchgeführt. Aber diese Arbeiten erregten, wie die früheren Arbeiten von Gamow und Kollegen, keine Aufmerksamkeit. Aber sie haben bereits überzeugend gezeigt, dass die Reliktstrahlung beobachtet werden kann. Trotz der extremen Schwäche dieser Strahlung in unserer Zeit liegt sie glücklicherweise in dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem alle anderen kosmischen Quellen im Allgemeinen noch schwächere aussenden. Daher hätte eine gezielte Suche nach Reliktstrahlung zu ihrer Entdeckung führen sollen, aber Radioastronomen wussten davon nichts.

Hier ist, was A. Penzias in seinem Nobelvortrag sagte: „Die erste veröffentlichte Anerkennung der Reliktstrahlung als nachweisbares Phänomen im Funkbereich erschien im Frühjahr 1964 in einem kurzen Artikel von A. G. Doroshkevich und I. D. Novikov mit dem Titel Mittlere Strahlungsdichte in der Metagalaxie und einige Fragen der relativistischen Kosmologie... Obwohl die englische Übersetzung im selben Jahr, wenig später, in der bekannten Zeitschrift "Soviet Physics - Doklady" erschien, erregte der Artikel offenbar nicht die Aufmerksamkeit anderer Spezialisten auf diesem Gebiet. Dieser bemerkenswerte Artikel leitete nicht nur das Spektrum des CMB als ein Schwarzkörper-Wellenphänomen ab, sondern konzentrierte sich auch klar auf den 20-Fuß-Hornreflektor in den Bell Laboratories in Crawford Hill als das am besten geeignete Instrument, um es zu entdecken! (zitiert nach: Sharov A.S., Novikov I.D. Der Mann, der die Explosion des Universums entdeckte: Das Leben und Werk von Edwin Hubble... M., 1989).

Leider wurde dieser Artikel weder von Theoretikern noch von Beobachtern bemerkt; es regte nicht die Suche nach Reliktstrahlung an. Wissenschaftshistoriker fragen sich immer noch, warum jahrelang niemand versucht hat, bewusst nach der Strahlung des heißen Universums zu suchen. Es ist merkwürdig, dass diese Entdeckung vorbei ist - eine der größten des 20. Jahrhunderts. - die Wissenschaftler gingen mehrmals vorbei, ohne es zu bemerken.

So könnte die Reliktstrahlung bereits 1941 entdeckt worden sein. Dann analysierte der kanadische Astronom E. McKellar die Absorptionslinien, die im Spektrum des Sterns Zeta Ophiuchus durch interstellare Cyanmoleküle verursacht werden. Er kam zu dem Schluss, dass diese Linien im sichtbaren Spektralbereich nur entstehen können, wenn Licht von rotierenden Cyanmolekülen absorbiert wird und ihre Rotation durch Strahlung mit einer Temperatur von etwa 2,3 K angeregt werden sollte dachte damals, dass die Anregung der Rotationsniveaus dieser Moleküle durch Reliktstrahlung verursacht wird. Erst nach seiner Entdeckung im Jahr 1965 wurden die Arbeiten von ISShklovsky, J. Field und anderen veröffentlicht, in denen gezeigt wurde, dass die Anregung der Rotation interstellarer Cyanmoleküle, deren Linien in den Spektren vieler Sterne deutlich zu beobachten sind, wurde gerade durch die Reliktstrahlung verursacht.

Eine noch dramatischere Geschichte spielte sich Mitte der 1950er Jahre ab. Dann maß der junge Wissenschaftler T. A. Shmaonov unter der Leitung der berühmten sowjetischen Radioastronomen S. E. Khaikin und N. L. Kaidanovsky die Radioemission aus dem Weltraum bei einer Wellenlänge von 32 cm mit einer Hornantenne, die der langjährigen Verwendung ähnelte später von Penzias und Wilson. Shmaonov studierte sorgfältig die möglichen Störungen. Natürlich hatte er damals noch nicht so empfindliche Empfänger, die später in den Händen der Amerikaner auftauchten. Die Ergebnisse von Shmaonovs Messungen wurden 1957 in seiner Doktorarbeit und in der Zeitschrift "Instruments and Experimental Techniques" veröffentlicht. Die Schlussfolgerung aus diesen Messungen war wie folgt: "Es stellte sich heraus, dass der Absolutwert der effektiven Temperatur der Hintergrund-Radioemission ... 4 ± 3 K beträgt." Shmaonov bemerkte die Unabhängigkeit der Strahlungsintensität von der Himmelsrichtung und von der Zeit. Obwohl die Messfehler groß waren und über eine Zuverlässigkeit der Zahl 4 nicht gesprochen werden muss, ist uns jetzt klar, dass Shmaonov genau die Reliktstrahlung gemessen hat. Leider wussten weder er selbst noch andere Radioastronomen etwas über die Möglichkeit der Existenz von Reliktstrahlung und maßen diesen Messungen keine gebührende Bedeutung bei.

Schließlich ging um 1964 der berühmte Experimentalphysiker aus Princeton (USA) Robert Dicke dieses Problem bewusst an. Obwohl seine Argumentation auf der Theorie eines "oszillierenden" Universums beruhte, das immer wieder Expansion und Kontraktion erfährt, verstand Dicke die Notwendigkeit, nach Reliktstrahlung zu suchen. Auf seine Initiative hin führte Anfang 1965 der junge Theoretiker F.J.E. Peebles die notwendigen Berechnungen durch, und P.G. Roll und D.T. Wilkinson begannen mit dem Bau einer kleinen, rauscharmen Antenne auf dem Dach des Palmer Physics Laboratory in Princeton. Es ist nicht notwendig, große Radioteleskope zu verwenden, um nach Hintergrundstrahlung zu suchen, da die Strahlung aus allen Richtungen kommt. Es ist nichts zu gewinnen, wenn eine große Antenne den Strahl auf einen kleineren Bereich des Himmels fokussiert. Doch Dikkes Gruppe gelang es nicht, die geplante Entdeckung zu machen: Als ihre Ausrüstung bereits fertig war, mussten sie nur die Entdeckung bestätigen, die am Vortag versehentlich von anderen gemacht wurde.

Die Entdeckung der Reliquienstrahlung.

1960 wurde in Crawford Hill, Holmdel (New Jersey, USA) eine Antenne gebaut, um die vom Ballonsatelliten Echo reflektierten Funksignale zu empfangen. 1963 wurde diese Antenne nicht mehr benötigt, um mit einem Satelliten zu arbeiten, und die Radiophysiker Robert Woodrow Wilson (geb. 1936) und Arno Elan Penzias (geb. 1933) vom Bell Telephone Labor beschlossen, sie für radioastronomische Beobachtungen zu verwenden. Die Antenne war ein 20-Fuß-Horn. Zusammen mit dem neuesten Empfangsgerät war dieses Radioteleskop damals das empfindlichste Instrument der Welt zur Messung von Radiowellen, die aus weiten Bereichen des Himmels kamen. Zunächst sollte es die Radioemission des interstellaren Mediums unserer Galaxie bei einer Wellenlänge von 7,35 cm messen, Arno Penzias und Robert Wilson wussten nichts von der Theorie eines heißen Universums und wollten nicht nach Reliktstrahlung suchen .

Um die Radioemission der Galaxie genau zu messen, mussten alle möglichen Störungen durch Strahlung der Erdatmosphäre und der Erdoberfläche sowie Störungen in der Antenne, den Stromkreisen und den Empfängern berücksichtigt werden. Vorläufige Tests des Empfangssystems zeigten etwas mehr Rauschen als aus den Berechnungen erwartet, aber es schien plausibel, dass dies an einem leichten Rauschüberschuss in den Verstärkerschaltungen lag. Um diese Probleme zu lösen, verwendeten Penzias und Wilson eine als "Cold Loading" bekannte Vorrichtung: Das von der Antenne kommende Signal wird mit dem Signal einer künstlichen Quelle verglichen, die mit flüssigem Helium auf etwa vier Grad über dem absoluten Nullpunkt (4 K) gekühlt wurde. In beiden Fällen muss das elektrische Rauschen in den Verstärkerschaltungen gleich sein, und daher gibt die durch den Vergleich erhaltene Differenz die Leistung des von der Antenne kommenden Signals an. Dieses Signal enthält nur Beiträge von der Antennenanordnung, der Erdatmosphäre und der astronomischen Quelle von Radiowellen, die in das Sichtfeld der Antenne eintreten.

Penzias und Wilson erwarteten, dass die Antennenvorrichtung sehr wenig elektrisches Rauschen erzeugt. Um diese Annahme zu überprüfen, begannen sie ihre Beobachtungen jedoch bei relativ kurzen Wellenlängen von 7,35 cm, bei denen das Radiorauschen der Galaxie vernachlässigbar sein sollte. Natürlich wurde bei dieser Wellenlänge und von der Erdatmosphäre eine Art Funkrauschen erwartet, aber dieses Rauschen sollte eine charakteristische Richtungsabhängigkeit haben: es sollte proportional zur Dicke der Atmosphäre in der Richtung sein, in die die Antenne schaut: leicht weniger in Richtung Zenit, etwas mehr in Richtung Horizont. Es wurde erwartet, dass nach Subtraktion des atmosphärischen Richtungsterms kein signifikantes Signal von der Antenne vorhanden ist, und dies würde bestätigen, dass das von der Antennenvorrichtung erzeugte elektrische Rauschen vernachlässigbar ist. Danach wird es möglich sein, die Galaxie selbst bei langen Wellenlängen zu untersuchen - etwa 21 cm, wo die Strahlung der Milchstraße deutlich spürbar ist. (Beachten Sie, dass Funkwellen mit Längen von Zentimetern oder Dezimetern bis zu 1 Meter allgemein als „Mikrowellenstrahlung“ bezeichnet werden . .)

Zu ihrer Überraschung entdeckten Penzias und Wilson im Frühjahr 1964, dass sie bei 7,35 cm ein ziemlich richtungsunabhängiges Mikrowellenrauschen erhielten. Sie fanden heraus, dass sich dieser "statische Hintergrund" nicht mit der Tageszeit ändert, und fanden später heraus, dass er nicht von der Jahreszeit abhängt. Daher kann dies nicht die Strahlung der Galaxie sein, denn in diesem Fall würde sich ihre Intensität ändern, je nachdem, ob die Antenne entlang der Ebene der Milchstraße oder quer blickt. Wäre es zudem die Strahlung unserer Galaxie, dann müsste auch die große Spiralgalaxie M 31 in Andromeda, die unserer in vielerlei Hinsicht ähnlich ist, bei einer Wellenlänge von 7,35 cm stark emittieren, was aber nicht beobachtet wurde. Das Fehlen jeglicher Richtungsvariation im beobachteten Mikrowellenrauschen war ein sehr ernster Hinweis darauf, dass diese Radiowellen, falls sie wirklich existieren, nicht aus der Milchstraße, sondern aus einem viel größeren Volumen des Universums stammen.

Den Forschern war klar, dass noch einmal geprüft werden musste, ob die Antenne selbst mehr elektrisches Rauschen erzeugen kann als erwartet. Insbesondere war bekannt, dass sich ein Taubenpaar im Horn der Antenne schmiegte. Sie wurden gefasst, an Bells Standort in Whippany geschickt, freigelassen, einige Tage später an ihrem Standort wiederentdeckt, wieder eingefangen und schließlich mit entschiedeneren Mitteln befriedet. Während der Mietzeit bedeckten die Tauben jedoch das Innere der Antenne mit dem, was Penzias "weißes dielektrisches Material" nannte, das bei Raumtemperatur eine Quelle für elektrisches Rauschen sein könnte. Anfang 1965 wurde das Horn der Antenne entfernt und der gesamte Schmutz entfernt, aber dies führte, wie alle anderen Tricks, zu einer sehr geringen Verringerung des beobachteten Geräuschpegels.

Bei sorgfältiger Analyse und Berücksichtigung aller Störquellen mussten Penzias und Wilson schlussfolgern, dass Strahlung aus dem Weltraum und aus allen Richtungen mit gleicher Intensität kommt. Es stellte sich heraus, dass der Weltraum strahlt, als ob er auf eine Temperatur von 3,5 Kelvin erhitzt würde (genauer gesagt, die erreichte Genauigkeit ließ den Schluss zu, dass die "Temperatur des Weltraums" zwischen 2,5 und 4,5 Kelvin lag). Anzumerken ist, dass dies ein sehr subtiles Versuchsergebnis ist: Würde man beispielsweise ein Eis-Brikett vor ein Antennenhorn legen, dann würde es im Funkbereich 22 Millionen Mal heller leuchten als der entsprechende Teil des Himmels . Penzias und Wilson dachten über das unerwartete Ergebnis ihrer Beobachtungen nach und nahmen sich Zeit für die Veröffentlichung. Aber die Ereignisse entwickelten sich gegen ihren Willen.

Zufällig rief Penzias seinen Freund Bernard Burke vom Massachusetts Institute of Technology aus einem ganz anderen Grund an. Burke hatte kürzlich von seinem Kollegen Ken Tsrner von der Carnegie Institution von einem Vortrag des Princeton-Theoretikers Phil Peebleslm unter der Leitung von Robert Dicke gehört, den er an der Johns Hopkins University gehört hatte. In diesem Vortrag argumentierte Peebles, dass Hintergrundradiogeräusche aus dem frühen Universum übrig sein müssen und jetzt eine äquivalente Temperatur von etwa 10 K haben.

Penzias rief Dikka an und die beiden Forscherteams trafen sich. Robert Dicke und seinen Kollegen F. Peebles, P. Roll und D. Wilkinson wurde klar, dass A. Penzias und R. Wilson die Reliktstrahlung des heißen Universums entdeckt hatten. Die Wissenschaftler beschlossen, zwei Briefe gleichzeitig im renommierten Astrophysical Journal zu veröffentlichen. Im Sommer 1965 erschienen beide Werke: Penzias und Wilson über die Entdeckung der Reliktstrahlung und Dicke und Kollegen – mit ihrer Erklärung anhand der Theorie eines heißen Universums. Offenbar nicht ganz überzeugt von der kosmologischen Interpretation ihrer Entdeckung, gaben Penzias und Wilson ihrer Notiz einen bescheidenen Titel: Messung der Antennenübertemperatur bei 4080 MHz... Sie erklärten einfach, dass "Messungen der effektiven Zenitrauschtemperatur ... einen um 3,5 K höheren Wert als erwartet ergaben" und vermieden jede Erwähnung der Kosmologie, mit Ausnahme des Satzes, dass "eine mögliche Erklärung für die beobachtete Rauschüberschreitungstemperatur von Dicke . gegeben wurde , Peebles, Roll und Wilkinson in einem Begleitbrief in derselben Ausgabe des Magazins.

In den Folgejahren wurden zahlreiche Messungen bei verschiedenen Wellenlängen von einigen zehn Zentimetern bis zu Bruchteilen eines Millimeters durchgeführt. Beobachtungen haben gezeigt, dass das Spektrum der Reliktstrahlung der Planck-Formel entspricht, wie es sich für Strahlung mit einer bestimmten Temperatur gehört. Diese Temperatur wurde mit etwa 3 K bestätigt. Es wurde eine bemerkenswerte Entdeckung gemacht, die bewies, dass das Universum zu Beginn der Expansion heiß war.

Dies ist die komplexe Verflechtung von Ereignissen, die 1965 in der Entdeckung des heißen Universums durch Penzias und Wilson gipfelte. Die Feststellung der Tatsache der superhohen Temperatur zu Beginn der Expansion des Universums war der Ausgangspunkt der wichtigsten Studien zur Enthüllung nicht nur astrophysikalischer Geheimnisse, sondern auch der Geheimnisse der Struktur der Materie.

Die genauesten Messungen der Reliktstrahlung wurden aus dem All durchgeführt: das sind das Relikt-Experiment auf dem sowjetischen Prognoz-9-Satelliten (1983-1984) und das DMR-Experiment (Differential Microwave Radiometer) auf dem amerikanischen COBE-Satelliten (Cosmic Background Explorer, November 1989-1993), letzteres ermöglichte es, die Temperatur der Reliktstrahlung am genauesten zu bestimmen: 2,725 ± 0,002 K.

Mikrowellenhintergrund als "neuer Äther".

Das Spektrum der Reliktstrahlung entspricht also mit sehr hoher Genauigkeit der Strahlung eines absolut schwarzen Körpers (dh es wird durch die Planck-Formel beschrieben) mit einer Temperatur von T = 2,73 K. Allerdings klein (ca. 0,1%) Abweichungen von dieser Durchschnittstemperatur werden beobachtet, je nachdem in welche Himmelsrichtung die Messung erfolgt. Tatsache ist, dass die Reliktstrahlung nur in dem Koordinatensystem isotrop ist, das dem gesamten System der Streugalaxien zugeordnet ist, im sogenannten „begleitenden Bezugssystem“, das sich mit dem Universum ausdehnt. In jedem anderen Koordinatensystem ist die Strahlungsintensität richtungsabhängig. Dies wird vor allem durch die Bewegung des Messgeräts relativ zum CMB verursacht: Der Doppler-Effekt bewirkt, dass die auf das Gerät zufliegenden Photonen „blau“ werden und die Photonen dieses einholen.

In diesem Fall hängt die gemessene Temperatur im Vergleich zum Durchschnitt (T 0) von der Bewegungsrichtung ab: T = T 0 (1 + (v / c) cos ich), wobei v die Geschwindigkeit des Geräts im Koordinatensystem ist, das der Reliktstrahlung zugeordnet ist; c - Lichtgeschwindigkeit, ich- der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und der Beobachtungsrichtung. Vor dem Hintergrund einer gleichmäßigen Temperaturverteilung erscheinen zwei "Pole" - warm in Bewegungsrichtung und kühl in die entgegengesetzte Richtung. Daher wird diese Abweichung von der Gleichmäßigkeit als "Dipol" bezeichnet. Die Dipolkomponente in der Verteilung des CMB wurde bei bodengebundenen Beobachtungen entdeckt: In Richtung des Sternbildes Löwe stellte sich heraus, dass die Temperatur dieser Strahlung 3,5 mK höher als der Durchschnitt war, und in die entgegengesetzte Richtung (Sternbild Wassermann). um den gleichen Betrag unter dem Durchschnitt. Folglich bewegen wir uns relativ zur Reliktstrahlung mit einer Geschwindigkeit von etwa 400 km/s. Die Messgenauigkeit erwies sich als so hoch, dass sogar jährliche Schwankungen der Dipolkomponente gefunden wurden, verursacht durch die Erdumdrehung um die Sonne mit einer Geschwindigkeit von 30 km/s.

Messungen von künstlichen Erdsatelliten haben diese Daten deutlich verbessert. Nach COBE-Daten stellt sich nach Berücksichtigung der Bahnbewegung der Erde heraus, dass sich das Sonnensystem so bewegt, dass die Amplitude der Dipolkomponente der CMB-Temperatur D T = 3,35 mK ist; dies entspricht einer Bewegungsgeschwindigkeit V = 366 km/s. Die Sonne bewegt sich relativ zur Strahlung in Richtung der Grenze der Sternbilder Löwe und Kelch, zu einem Punkt mit den äquatorialen Koordinaten a = 11 h 12 m und d = –7,1 ° (Epoche J2000); was den galaktischen Koordinaten l = 264,26 ° und b = 48,22 ° entspricht. Unter Berücksichtigung der Bewegung der Sonne selbst in der Galaxie zeigt sich, dass sich die Sonne relativ zu allen Galaxien der Lokalen Gruppe mit einer Geschwindigkeit von 316 ± 5 km / s in die Richtung bewegt l 0 = 93 ± 2 ° und B 0 = –4 ± 2 °. Daher erfolgt die Bewegung der Lokalen Gruppe selbst relativ zur Reliktstrahlung mit einer Geschwindigkeit von 635 km / s in Richtung etwa l= 269 ° und B= +29°. Dies sind ungefähr 45° relativ zur Richtung zum Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens.

Die Untersuchung der Bewegungen von Galaxien in noch größerem Maßstab zeigt, dass sich die Menge der nahegelegenen Galaxienhaufen (119 Haufen aus dem Abel-Katalog innerhalb von 200 Mpc von uns) als Ganzes relativ zur Reliktstrahlung mit einer Geschwindigkeit von etwa 700 km / s bewegt. So schwimmt unsere Nachbarschaft des Universums mit merklicher Geschwindigkeit im Meer der Reliktstrahlung. Astrophysiker haben immer wieder darauf hingewiesen, dass die bloße Existenz der Reliktstrahlung und des dazugehörigen Bezugssystems dieser Strahlung die Rolle eines „neuen Äthers“ zuweist. Aber das hat nichts Mystisches: Alle physikalischen Messungen in diesem Bezugssystem sind äquivalent zu Messungen in jedem anderen Inertialsystem. (Eine Diskussion des Problems des "neuen Äthers" im Zusammenhang mit dem Mach-Prinzip findet sich im Buch: Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Die Struktur und Entwicklung des Universums. M., 1975).

CMB-Anisotropie.

Die CMB-Temperatur ist nur einer der Parameter, die das frühe Universum beschreiben. In den Eigenschaften dieser Strahlung gibt es auch andere deutliche Spuren einer sehr frühen Epoche in der Entwicklung unserer Welt. Astrophysiker finden diese Spuren, indem sie das Spektrum und die räumliche Inhomogenität (Anisotropie) des CMB analysieren.

Nach der Theorie des heißen Universums sank die Temperatur der Substanz und der damit verbundenen Strahlung nach etwa 300.000 Jahren nach Beginn der Expansion auf 4000 K. Bei dieser Temperatur konnten Photonen keine Wasserstoff- und Heliumatome mehr ionisieren. Daher rekombinierte in dieser Epoche, entsprechend der Rotverschiebung z = 1400, das heiße Plasma, wodurch sich das Plasma in ein neutrales Gas verwandelte. Damals gab es natürlich keine Galaxien und Sterne. Sie sind viel später entstanden.

Nachdem es neutral geworden war, stellte sich heraus, dass das Gas, das das Universum füllte, für die Reliktstrahlung praktisch transparent war (obwohl dies zu dieser Zeit keine Radiowellen waren, sondern Licht des sichtbaren und nahen Infrarotbereichs). Daher erreicht uns die antike Strahlung fast ungehindert aus den Tiefen von Raum und Zeit. Dennoch erfährt sie auf ihrem Weg einige Einflüsse und trägt als archäologische Stätte Spuren historischer Ereignisse.

Zum Beispiel emittierten Atome in der Rekombinationsepoche viele Photonen mit Energien in der Größenordnung von 10 eV, was zehnmal höher ist als die durchschnittliche Energie der Photonen der Gleichgewichtsstrahlung dieser Epoche (bei T = 4000 K sind solche energiereichen Photonen sind extrem klein, in der Größenordnung von einem Milliardstel ihrer Gesamtzahl). Daher sollte die Rekombinationsstrahlung das Planck-Spektrum der Reliktstrahlung im Wellenlängenbereich von ca. 250 µm stark verzerren. Berechnungen haben zwar gezeigt, dass die starke Wechselwirkung von Strahlung mit Materie dazu führen wird, dass die freigesetzte Energie hauptsächlich über einen weiten Bereich des Spektrums "zerstreut" und nicht stark verzerrt wird, aber zukünftige genaue Messungen werden dies feststellen können auch Verzerrung.

Viel später, in der Epoche der Galaxienentstehung und der ersten Sternengeneration (bei z ~ 10), als eine riesige Masse bereits fast abgekühlter Materie wieder eine deutliche Erwärmung erfuhr, könnte sich das CMB-Spektrum wieder ändern, da die Streuung an heißen Elektronen erhöhen niederenergetische Photonen deren Energie (sogenannter "inverser Compton-Effekt"). Beide oben beschriebenen Effekte verzerren das Spektrum der Reliktstrahlung in ihrem bisher am wenigsten untersuchten kurzwelligen Bereich.

Obwohl in unserer Zeit der größte Teil der gewöhnlichen Materie in Sternen und in Galaxien dicht gepackt ist, kann die Reliktstrahlung in unserer Nähe dennoch eine merkliche Verzerrung des Spektrums erfahren, wenn ihre Strahlen auf ihrem Weg zur Erde einen großen Galaxienhaufen passieren . Normalerweise sind solche Cluster mit einem verdünnten, aber sehr heißen intergalaktischen Gas mit einer Temperatur von etwa 100 Millionen K gefüllt. Durch Streuung an schnellen Elektronen dieses Gases erhöhen niederenergetische Photonen ihre Energie (derselbe inverse Compton-Effekt) und passieren aus dem niedrigen -Frequenz, Rayleigh-Jeans-Bereich des Spektrums zum Hochfrequenz-Vin-Bereich. Dieser Effekt wurde von RA Sunyaev und Ya B Zel'dovich vorhergesagt und von Radioastronomen in Richtung vieler Galaxienhaufen in Form einer Abnahme der Strahlungstemperatur im Rayleigh-Jeans-Spektralbereich um 1–3 mK entdeckt. Der Sunyaev-Zeldovich-Effekt wurde als erster unter den Effekten entdeckt, die die Anisotropie der Reliktstrahlung erzeugen. Der Vergleich seiner Größe mit der Röntgenleuchtkraft von Galaxienhaufen ermöglichte die unabhängige Bestimmung der Hubble-Konstante (H = 60 ± 12 km / s / Mpc).

Gehen wir zurück in die Ära der Rekombination. Mit weniger als 300.000 Jahren war das Universum ein fast homogenes Plasma, das vor Schall- oder besser gesagt Infraschallwellen zitterte. Berechnungen von Kosmologen zufolge erzeugten diese Wellen der Kompression und Expansion der Materie in einem undurchsichtigen Plasma Schwankungen der Strahlungsdichte und sollten daher jetzt in Form einer leicht wahrnehmbaren "Schwellung" in einer fast homogenen Reliktstrahlung nachgewiesen werden. Daher sollte es heute aus verschiedenen Richtungen mit leicht unterschiedlicher Intensität auf die Erde kommen. In diesem Fall sprechen wir nicht von der trivialen Dipolanisotropie, die durch die Bewegung des Beobachters verursacht wird, sondern von Intensitätsschwankungen, die tatsächlich der Strahlung selbst innewohnen. Ihre Amplitude sollte extrem klein sein: etwa ein Hunderttausendstel der Strahlungstemperatur selbst, d.h. ca. 0,00003 K. Sie sind sehr schwer zu messen. Die ersten Versuche, die Größe dieser kleinen Schwankungen in Abhängigkeit von der Himmelsrichtung zu bestimmen, wurden unmittelbar nach der Entdeckung der Reliktstrahlung selbst im Jahr 1965 unternommen. Später hörten sie nicht auf, aber die Entdeckung erfolgte erst 1992 mit Hilfe von Ausrüstung von der Erde entfernt. In unserem Land wurden solche Messungen im Relikt-Experiment durchgeführt, aber diese kleinen Schwankungen wurden vom amerikanischen Satelliten COBE sicherer aufgezeichnet (Abb. 1).

In letzter Zeit wurden viele Experimente durchgeführt und sind geplant, um die Amplitude der Fluktuationen der Reliktstrahlung in verschiedenen Winkelskalen zu messen - von Grad bis Sekunden des Bogens. Verschiedene physikalische Phänomene, die in den allerersten Momenten des Lebens des Universums stattfanden, sollten ihre charakteristischen Spuren in der auf uns kommenden Strahlung hinterlassen haben. Die Theorie sagt eine eindeutige Beziehung zwischen der Größe von kalten und heißen Stellen in der Intensität des CMB und ihrer relativen Helligkeit voraus. Die Abhängigkeit ist sehr eigenartig: Sie enthält Informationen über die Prozesse der Geburt des Universums, über das, was unmittelbar nach der Geburt geschah, sowie über die Parameter des gegenwärtigen Universums.

Die Winkelauflösung der ersten Beobachtungen - in den Relikt-2- und COBE-Experimenten - war sehr schlecht, etwa 7°, so dass die Informationen über die Fluktuationen der Reliktstrahlung unvollständig waren. In den Folgejahren wurden die gleichen Beobachtungen sowohl mit bodengestützten Radioteleskopen (in unserem Land wird hierfür das Instrument RATAN-600 mit einer leeren Öffnung von 600 m Durchmesser verwendet) als auch mit Radioteleskopen durchgeführt, die in Ballons in die obere Atmosphäre.

Ein grundlegender Schritt in der Erforschung der CMB-Anisotropie war das BOOMERANG-Experiment, das von Wissenschaftlern aus den USA, Kanada, Italien, England und Frankreich mit einem unbemannten Ballon der NASA (USA) mit einem Volumen von 1 Million Kubikmetern durchgeführt wurde, der vom 29. 1998 bis 9. Januar 1999 in 37 km Höhe den Südpol umkreisen und nach einem Flug von etwa 10 Tausend km eine Gondel mit Instrumenten per Fallschirm 50 km vom Startplatz abwerfen. Die Beobachtungen wurden mit einem Submillimeter-Teleskop mit einem Hauptspiegel von 1,2 m Durchmesser durchgeführt, in dessen Fokus ein auf 0,28 K gekühltes Bolometersystem platziert war, das den Hintergrund in vier Frequenzkanälen (90, 150, 240 und 400 GHz) mit einer Winkelauflösung von 0,2–0,3 Grad. Während des Fluges bedeckten die Beobachtungen etwa 3% der Himmelssphäre.

Die im Boomerang-Experiment aufgezeichneten Temperaturinhomogenitäten der Reliktstrahlung mit einer charakteristischen Amplitude von 0,0001 K bestätigten die Richtigkeit des „akustischen“ Modells und zeigten, dass die vierdimensionale Raum-Zeit-Geometrie des Universums als flach angesehen werden kann. Die erhaltenen Informationen ermöglichten auch eine Beurteilung der Zusammensetzung des Universums: Es wurde bestätigt, dass die gewöhnliche baryonische Materie, aus der Sterne, Planeten und interstellares Gas bestehen, nur etwa 4% der Masse ausmacht; und die restlichen 96% sind in noch unbekannten Formen von Materie eingeschlossen.

Das Boomerang-Experiment wurde wunderbar ergänzt durch ein ähnliches Experiment namens MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), das hauptsächlich von Wissenschaftlern aus den USA und Italien durchgeführt wurde. Ihre Ausrüstung, die im August 1998 und Juni 1999 in die Stratosphäre flog, erkundete weniger als 1% der Himmelskugel, aber mit einer hohen Winkelauflösung: etwa 5. "Der Ballon machte Nachtflüge über den kontinentalen Vereinigten Staaten. Der Hauptspiegel des Teleskops hatte einen Durchmesser von 1,3 m Der Empfangsteil der Ausrüstung bestand aus 16 Detektoren, die 3 Frequenzbereiche abdeckten, Sekundärspiegel wurden auf kryogene Temperatur gekühlt und Bolometern - sogar auf 0,1 K. Eine so niedrige Temperatur konnte bis zu auf 40 Stunden, was die Flugdauer begrenzte.

Das MAXIMA-Experiment zeigte eine feine „Anschwellen“ in der Winkelverteilung der CMB-Temperatur. Seine Daten wurden durch Beobachtungen eines bodengebundenen Observatoriums mit dem DASI-Interferometer (Degree Angular Scale Interferometer) ergänzt, das von Radioastronomen der University of Chicago (USA) am Südpol installiert wurde. Dieses kryogene Interferometer mit 13 Elementen wurde in zehn Frequenzkanälen im Bereich von 26-36 GHz beobachtet und zeigte noch kleinere Fluktuationen der CMB, und die Abhängigkeit ihrer Amplitude von der Winkelgröße bestätigt gut die Theorie der vom jungen Universum geerbten akustischen Schwingungen.

Neben der Messung der Intensität der Reliktstrahlung von der Erdoberfläche sind auch Weltraumexperimente geplant. 2007 soll das Radioteleskop Planck (European Space Agency) ins All geschossen werden. Seine Winkelauflösung wird deutlich höher sein, und seine Empfindlichkeit ist etwa 30-mal besser als im COBE-Experiment. Daher hoffen Astrophysiker, dass viele Fakten über den Beginn der Existenz unseres Universums aufgeklärt werden (siehe Abb. 1).

Vladimir Surdin

Literatur:

Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Die Struktur und Entwicklung des Universums... M., 1975
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Weinberg S. Die ersten drei Minuten. Eine moderne Sicht auf den Ursprung des Universums... M., 1981
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Dolgov A. D., Zeldovich Ya. B., Sazhin M. V. Kosmologie des frühen Universums... M., 1988
Novikov I.D. Entwicklung des Universums... M., 1990

kosmische elektromagnetische Strahlung, die von allen Seiten des Himmels mit ungefähr gleicher Intensität auf die Erde eintrifft und ein Spektrum aufweist, das für die Strahlung eines absolut schwarzen Körpers bei einer Temperatur von etwa 3 K (3 Grad auf der absoluten Kelvin-Skala, was entspricht) charakteristisch ist –270 °C). Bei dieser Temperatur fällt der Großteil der Strahlung auf Radiowellen im Zentimeter- und Millimeterbereich. Die Energiedichte der Reliktstrahlung beträgt 0,25 eV / cm 3.

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Reliktstrahlung

Extragalaktische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung tritt im Frequenzbereich von 500 MHz bis 500 GHz auf, was Wellenlängen von 60 cm bis 0,6 mm entspricht. Diese Hintergrundstrahlung trägt Informationen über die Vorgänge im Universum vor der Entstehung von Galaxien, Quasaren und anderen Objekten. Diese als Relikt bezeichnete Strahlung wurde 1965 entdeckt, obwohl sie bereits in den 40er Jahren von Georgy Gamov vorhergesagt und von Astronomen jahrzehntelang untersucht wurde.

Im expandierenden Universum hängt die durchschnittliche Dichte der Materie von der Zeit ab – früher war sie höher. Bei der Expansion ändert sich jedoch nicht nur die Dichte, sondern auch die thermische Energie der Substanz, was bedeutet, dass das Universum im frühen Stadium der Expansion nicht nur dicht, sondern auch heiß war. Folglich sollte in unserer Zeit Reststrahlung beobachtet werden, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut festen Körpers entspricht, und diese Strahlung sollte stark isotrop sein. 1964 entdeckten A.A. Penzias und R. Wilson beim Testen einer empfindlichen Radioantenne eine sehr schwache Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die sie in keiner Weise beseitigen konnten. Es stellte sich heraus, dass seine Temperatur 2,73 K betrug, was nahe dem vorhergesagten Wert liegt. Aus Experimenten zur Untersuchung der Isotropie wurde gezeigt, dass die Quelle der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nicht innerhalb der Galaxie lokalisiert werden kann, da dann die Strahlungskonzentration zum Zentrum der Galaxie hätte beobachtet werden müssen. Die Strahlungsquelle konnte nicht innerhalb des Sonnensystems lokalisiert werden, weil eine tägliche Variation der Strahlungsintensität würde beobachtet werden. Aus diesem Grund wurde der Schluss gezogen, dass diese Hintergrundstrahlung extragalaktischer Natur war. Damit erhielt die Hypothese eines heißen Universums eine Beobachtungsgrundlage.

Um die Natur der Reliktstrahlung zu verstehen, muss man sich den Prozessen zuwenden, die in den frühen Stadien der Expansion des Universums stattfanden. Betrachten wir, wie sich die physikalischen Bedingungen im Universum während der Expansion verändert haben.

Jetzt enthält jeder Kubikzentimeter Raum etwa 500 Reliktphotonen, und es gibt viel weniger Materie in diesem Volumen. Da das Verhältnis der Anzahl der Photonen zur Anzahl der Baryonen beim Expansionsprozess erhalten bleibt, die Energie der Photonen während der Expansion des Universums jedoch aufgrund der Rotverschiebung mit der Zeit abnimmt, kann geschlossen werden, dass in der Vergangenheit die Energiedichte der Strahlung war größer als die Energiedichte der Materieteilchen. Diese Zeit wird als Strahlungsstadium in der Evolution des Universums bezeichnet. Die Bestrahlungsphase war durch die Gleichheit von Stoff- und Strahlungstemperatur gekennzeichnet. Damals bestimmte die Strahlung vollständig die Art der Expansion des Universums. Ungefähr eine Million Jahre nach Beginn der Expansion des Universums sank die Temperatur auf mehrere Tausend Grad und die Elektronen, die zuvor freie Teilchen waren, rekombinierten mit Protonen und Heliumkernen, d.h. die Bildung von Atomen. Das Universum ist für Strahlung transparent geworden, und es ist diese Strahlung, die wir jetzt einfangen und als Relikt bezeichnen. Zwar haben die Photonen seit dieser Zeit aufgrund der Ausdehnung des Universums ihre Energie um das 100-fache reduziert. Bildlich gesprochen haben die CMB-Quanten die Epoche der Rekombination "eingefangen" und tragen direkte Informationen über die ferne Vergangenheit.

Nach der Rekombination begann sich die Materie zum ersten Mal unabhängig von der Strahlung zu entwickeln, und es traten Dichten in ihr auf - die Embryonen zukünftiger Galaxien und ihrer Haufen. Deshalb sind Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften von Reliktstrahlung - ihr Spektrum und ihre räumlichen Schwankungen - für Wissenschaftler so wichtig. Ihre Bemühungen waren nicht umsonst: Anfang der 90er Jahre. Das russische Weltraumexperiment "Relikt-2" und das amerikanische "Kobe" fanden Unterschiede in der Temperatur der Reliktstrahlung benachbarter Himmelsregionen, und die Abweichung von der Durchschnittstemperatur beträgt nur etwa ein Tausendstel Prozent. Diese Temperaturschwankungen geben Auskunft über die Abweichung der Dichte der Substanz vom Mittelwert während der Rekombinationsepoche. Nach der Rekombination war die Materie im Universum fast gleichmäßig verteilt, und wo die Dichte sogar leicht über dem Durchschnitt lag, war die Anziehung stärker. Es waren die Dichtevariationen, die später zur Bildung großräumiger Strukturen im Universum, Galaxienhaufen und einzelnen Galaxien führten. Nach modernen Konzepten sollten sich die ersten Galaxien in einer Ära gebildet haben, die Rotverschiebungen von 4 bis 8 entspricht.

Gibt es eine Chance, noch weiter in die Ära vor der Rekombination zu blicken? Bis zum Moment der Rekombination war es der Druck der elektromagnetischen Strahlung, der im Wesentlichen das Gravitationsfeld erzeugte, das die Expansion des Universums verlangsamte. In diesem Stadium änderte sich die Temperatur umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der seit Beginn der Expansion verstrichenen Zeit. Betrachten wir nacheinander die verschiedenen Stadien der Expansion des frühen Universums.

Bei einer Temperatur von etwa 1013 Kelvin wurden im Universum Paare verschiedener Teilchen und Antiteilchen geboren und vernichtet: Protonen, Neutronen, Mesonen, Elektronen, Neutrinos usw. Als die Temperatur auf 5 * 1012 K fiel, wurden fast alle Protonen und Neutronen vernichtet , die sich in Strahlungsquanten verwandeln; es gab nur solche, für die es "nicht genug" Antiteilchen gab. Aus diesen „überschüssigen“ Protonen und Neutronen besteht im Wesentlichen die Substanz des modernen beobachtbaren Universums.

Bei T = 2 * 1010 K hörten alle durchdringenden Neutrinos auf, mit Materie zu interagieren – ab diesem Zeitpunkt soll es einen „Relikt-Neutrino-Hintergrund“ gegeben haben, der im Zuge zukünftiger Neutrino-Experimente nachgewiesen werden könnte.

Alles, was soeben gesagt wurde, fand bei ultrahohen Temperaturen in der ersten Sekunde nach Beginn der Expansion des Universums statt. Einige Sekunden nach dem Moment der "Geburt" des Universums begann die Ära der primordialen Nukleosynthese, als Kerne aus Deuterium, Helium, Lithium und Beryllium gebildet wurden. Es dauerte etwa drei Minuten und sein Hauptergebnis war die Bildung von Heliumkernen (25% der Masse aller Materie im Universum). Der Rest der Elemente, schwerer als Helium, machte einen vernachlässigbaren Anteil der Substanz aus - etwa 0,01%.

Nach der Nukleosynthese-Epoche und vor der Rekombinations-Epoche (ca. 106 Jahre) expandierte und kühlte sich das Universum leise aus und dann - Hunderte von Millionen Jahren nach dem Beginn - erschienen die ersten Galaxien und Sterne.

In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung der Kosmologie und Physik der Elementarteilchen es ermöglicht, die allererste, "superdichte" Periode der Expansion des Universums theoretisch zu betrachten. Es stellt sich heraus, dass sich das Universum zu Beginn der Expansion, als die Temperatur unglaublich hoch war (mehr als 1028 K), in einem speziellen Zustand befinden konnte, in dem es sich beschleunigt ausdehnte und die Energie pro Volumeneinheit konstant blieb. Diese Expansionsphase wurde als inflationär bezeichnet. Ein solcher Aggregatzustand ist unter einer Bedingung möglich - Unterdruck. Die Phase der superschnellen inflationären Expansion erstreckte sich über einen winzigen Zeitraum: Sie endete nach etwa 10–36 s. Es wird angenommen, dass die wirkliche "Geburt" der Elementarteilchen der Materie in der Form, in der wir sie jetzt kennen, kurz nach dem Ende der Inflationsphase stattfand und durch den Zerfall des hypothetischen Feldes verursacht wurde. Danach ging die Expansion des Universums durch Trägheit weiter.

Die Hypothese des inflationären Universums beantwortet eine Reihe wichtiger Fragen der Kosmologie, die bis vor kurzem als unerklärliche Paradoxien galten, insbesondere die Frage nach dem Grund für die Expansion des Universums. Wenn das Universum in seiner Geschichte wirklich eine Ära durchlebte, in der ein großer Unterdruck herrschte, dann musste die Schwerkraft unweigerlich keine Anziehung, sondern eine gegenseitige Abstoßung materieller Teilchen verursachen. Und das bedeutet, dass sich das Universum schnell und explosionsartig auszudehnen begann. Natürlich ist das Modell eines inflationären Universums nur eine Hypothese: Selbst eine indirekte Überprüfung seiner Positionen erfordert Geräte, die einfach noch nicht geschaffen wurden. Die Idee der beschleunigten Expansion des Universums im frühesten Stadium seiner Evolution hat sich jedoch in der modernen Kosmologie fest etabliert.

Wenn wir vom frühen Universum sprechen, werden wir plötzlich von den größten kosmischen Skalen in die Region der Mikrowelt transportiert, die durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben wird. Die Physik der Elementarteilchen und ultrahohen Energien ist in der Kosmologie eng mit der Physik riesiger astronomischer Systeme verflochten. Das Größte und das Kleinste sind hier miteinander verschmolzen. Dies ist die erstaunliche Schönheit unserer Welt, voller unerwarteter Verbindungen und tiefer Einheit.

Die Erscheinungsformen des Lebens auf der Erde sind äußerst vielfältig. Das Leben auf der Erde wird durch nukleare und pränukleare, ein- und mehrzellige Kreaturen repräsentiert; Vielzellige Organismen wiederum werden durch Pilze, Pflanzen und Tiere repräsentiert. Jedes dieser Königreiche vereint verschiedene Typen, Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen, Arten, Populationen und Individuen.

In all der scheinbar endlosen Vielfalt von Lebewesen lassen sich mehrere verschiedene Organisationsebenen von Lebewesen unterscheiden: molekular, zellulär, Gewebe, Organ, Ontogenetik, Population, Spezies, Biogeozänotik, Biosphäre. Die aufgeführten Niveaus sind zum leichteren Lernen hervorgehoben. Wenn wir versuchen, die Hauptebenen zu unterscheiden, die weniger die Studienebenen als die Organisationsebenen des Lebens auf der Erde widerspiegeln, dann sollten die Hauptkriterien für eine solche Auswahl das Vorhandensein spezifischer elementarer, diskreter Strukturen und elementarer Phänomene sein . Bei diesem Ansatz erweist es sich als notwendig und ausreichend, die molekulargenetischen, ontogenetischen, populationsspezifischen und biogeozenotischen Ebenen herauszufiltern (N.V. Timofeev-Resovskiy und andere).

Molekulargenetische Ebene. Beim Studium dieser Ebene wurde die größte Klarheit bei der Definition von Grundbegriffen sowie bei der Identifizierung elementarer Strukturen und Phänomene erreicht. Die Entwicklung der chromosomalen Vererbungstheorie, die Analyse des Mutationsprozesses, das Studium der Struktur von Chromosomen, Phagen und Viren offenbarten die Hauptmerkmale der Organisation elementarer genetischer Strukturen und verwandter Phänomene. Es ist bekannt, dass die Hauptstrukturen auf dieser Ebene (Codes der Erbinformation, die von Generation zu Generation weitergegeben werden) DNA sind, die in der Länge in Codeelemente differenziert sind - Tripletts stickstoffhaltiger Basen, die Gene bilden.

Gene auf dieser Ebene der Lebensorganisation repräsentieren elementare Einheiten. Die wichtigsten elementaren Phänomene, die mit Genen verbunden sind, können ihre lokalen strukturellen Veränderungen (Mutationen) und die Übertragung der in ihnen gespeicherten Informationen an intrazelluläre Kontrollsysteme sein.

Die konvariante Reduplikation erfolgt nach dem Matrixprinzip durch Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen der DNA-Doppelhelix unter Beteiligung des DNA-Polymerase-Enzyms. Dann baut jeder der Stränge einen entsprechenden Strang für sich auf, wonach die neuen Stränge zueinander komplementär sind Die Pyrimidin- und Purinbasen der komplementären Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander durch DNA-Polymerase zusammengehalten. Dieser Prozess ist sehr schnell. So dauert die Selbstorganisation von E. coli (Escherichia coli)-DNA, die aus etwa 40.000 Basenpaaren besteht, nur 100 s. Genetische Informationen werden vom Zellkern durch mRNA-Moleküle in das Zytoplasma zu den Ribosomen übertragen und nehmen dort an der Proteinsynthese teil. Ein Protein mit Tausenden von Aminosäuren wird in einer lebenden Zelle in 5–6 Minuten synthetisiert, in Bakterien schneller.

Die Hauptsteuerungssysteme sowohl bei der konvarianten Reduplikation als auch bei der intrazellulären Informationsübertragung verwenden das "Matrix-Prinzip", d.h. sind Matrizen, neben denen die entsprechenden spezifischen Makromoleküle aufgebaut sind. Derzeit wird erfolgreich der in die Struktur von Nukleinsäuren eingebettete Code entschlüsselt, der als Matrix für die Synthese spezifischer Proteinstrukturen in Zellen dient. Die auf Matrixkopie basierende Verdoppelung bewahrt nicht nur die genetische Norm, sondern auch Abweichungen davon, d.h. Mutationen (die Grundlage des Evolutionsprozesses). Eine hinreichend genaue Kenntnis der molekulargenetischen Ebene ist eine notwendige Voraussetzung für ein klares Verständnis der auf allen anderen Ebenen der Lebensorganisation vorkommenden Lebensphänomene.

Was bedeutet die "Relikt"-Strahlung?

Das Relikt heißt kosmische Hintergrundstrahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut schwarzen Körpers mit einer Temperatur von etwa 3 Grad Kelvin entspricht. Diese Strahlung wird bei Wellenlängen von mehreren Millimetern bis zu mehreren zehn Zentimetern beobachtet; es ist praktisch isotrop. Die Entdeckung der Reliktstrahlung war eine entscheidende Bestätigung der Theorie eines heißen Universums, wonach das Universum in der Vergangenheit eine viel höhere Materiedichte als heute und eine sehr hohe Temperatur hatte. Die heute aufgezeichnete Reliktstrahlung ist Informationen über vergangene Ereignisse, als das Alter des Universums nur 300-500 Tausend Jahre betrug und die Dichte etwa 1000 Atome pro Kubikzentimeter betrug. Damals sank die Temperatur des Uruniversums auf etwa 3000 Kelvin, Elementarteilchen bildeten Atome aus Wasserstoff und Helium, und das plötzliche Verschwinden freier Elektronen führte zu Strahlung, die wir heute als Relikt bezeichnen.

Kosmische elektromagnetische Strahlung, die von allen Seiten des Himmels mit ungefähr gleicher Intensität auf die Erde eintrifft und ein Spektrum aufweist, das für die Strahlung eines absolut schwarzen Körpers bei einer Temperatur von etwa 3 K (3 Grad auf der absoluten Kelvin-Skala, was entspricht) charakteristisch ist -270 °C). Bei dieser Temperatur fällt der Großteil der Strahlung auf Radiowellen im Zentimeter- und Millimeterbereich. Die Energiedichte der Reliktstrahlung beträgt 0,25 eV / cm 3.
Experimentelle Radioastronomen nennen diese Strahlung lieber "kosmischer Mikrowellenhintergrund" (CMB). Theoretische Astrophysiker nennen es oft "Reliktstrahlung" (der Begriff wurde vom russischen Astrophysiker IS Shklovsky vorgeschlagen), da diese Strahlung im Rahmen der heute allgemein akzeptierten Theorie eines heißen Universums in einem frühen Stadium der Expansion unserer Welt entstanden ist , als seine Substanz praktisch homogen und sehr heiß war. Manchmal findet man in der wissenschaftlichen und populären Literatur auch den Begriff "drei Grad kosmische Strahlung". Im Folgenden nennen wir diese Strahlung „Relikt“.
Die Entdeckung der Reliktstrahlung im Jahr 1965 war von großer Bedeutung für die Kosmologie; sie wurde zu einer der wichtigsten Errungenschaften der Naturwissenschaft des 20. Jahrhunderts. und mit Abstand die wichtigste für die Kosmologie seit der Entdeckung der Rotverschiebung in den Spektren von Galaxien. Schwache Reliktstrahlung bringt uns Informationen über die ersten Momente der Existenz unseres Universums, über jene ferne Epoche, als das gesamte Universum heiß war und es keine Planeten, Sterne oder Galaxien gab. Detaillierte Messungen dieser Strahlung, die in den letzten Jahren mit Hilfe von bodengestützten, stratosphärischen und Weltraumobservatorien durchgeführt wurden, öffnen den Schleier über das Geheimnis der Geburt des Universums.
Theorie des heißen Universums. 1929 entdeckte der amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889-1953), dass sich die meisten Galaxien von uns entfernen, und zwar je schneller, je weiter sich die Galaxie befindet (Hubble-Gesetz). Dies wurde als eine allgemeine Expansion des Universums interpretiert, die vor etwa 15 Milliarden Jahren begann. Es stellte sich die Frage, wie das Universum in der fernen Vergangenheit aussah, als die Galaxien gerade anfingen, sich voneinander zu entfernen, und noch früher. Obwohl der mathematische Apparat, der auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie basiert und die Dynamik des Universums beschreibt, bereits in den 1920er Jahren von Willem de Sitter (1872-1934), Alexander Friedman (1888-1925) und Georges Lemaitre (1894-1966) entwickelt wurde, über das Physikalische war der Zustand des Universums in der frühen Epoche seiner Entwicklung unbekannt. Es gab nicht einmal die Gewissheit, dass es einen bestimmten Moment in der Geschichte des Universums gab, der als "Beginn der Expansion" angesehen werden konnte.
Die Entwicklung der Kernphysik in den 1940er Jahren ermöglichte die Entwicklung theoretischer Modelle der Entwicklung des Universums in der Vergangenheit, als seine Materie auf eine hohe Dichte komprimiert werden sollte, bei der Kernreaktionen möglich waren. Diese Modelle mussten zunächst die Zusammensetzung der Materie des Universums erklären, die zu diesem Zeitpunkt bereits hinreichend zuverlässig aus Beobachtungen der Spektren von Sternen gemessen wurde: Sie bestehen im Durchschnitt zu 2/3 aus Wasserstoff und 1 /3 des Heliums und alle anderen chemischen Elemente zusammengenommen machen nicht mehr als 2 % aus. Die Kenntnis der Eigenschaften intranuklearer Teilchen - Protonen und Neutronen - ermöglichten es, Varianten des Beginns der Expansion des Universums zu berechnen, die sich im Anfangsgehalt dieser Teilchen und der Temperatur der Substanz und der Strahlung im thermodynamischen Gleichgewicht damit unterscheiden . Jede der Optionen ergab eine eigene Zusammensetzung der Ausgangssubstanz des Universums.
Lassen wir die Details weg, dann gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten für die Bedingungen, unter denen der Beginn der Expansion des Universums stattfand: Seine Substanz könnte entweder kalt oder heiß sein. Die Folgen von Kernreaktionen unterscheiden sich in diesem Fall grundlegend voneinander. Obwohl die Idee der Möglichkeit einer heißen Vergangenheit des Universums in seinen frühen Werken von Lemaitre zum Ausdruck kam, wurde die Möglichkeit eines Kaltstarts historisch zuerst in den 1930er Jahren in Betracht gezogen.
In den ersten Annahmen ging man davon aus, dass alle Materie im Universum zunächst in Form von kalten Neutronen existierte. Später stellte sich heraus, dass eine solche Annahme den Beobachtungen widerspricht. Tatsache ist, dass ein Neutron im freien Zustand durchschnittlich 15 Minuten nach seinem Auftreten zerfällt und sich in ein Proton, Elektron und Antineutrino verwandelt. Im expandierenden Universum würden die entstandenen Protonen beginnen, sich mit den noch verbliebenen Neutronen zu verbinden und die Kerne von Deuteriumatomen zu bilden. Außerdem würde eine Kette von Kernreaktionen zur Bildung von Kernen von Heliumatomen führen. Komplexere Atomkerne entstehen dabei, wie Berechnungen zeigen, praktisch nicht. Als Ergebnis würde alle Materie in Helium umgewandelt. Diese Schlussfolgerung steht in scharfem Widerspruch zu Beobachtungen von Sternen und interstellarer Materie. Der Überfluss an chemischen Elementen in der Natur weist die Hypothese einer beginnenden Expansion der Materie in Form von kalten Neutronen zurück.
Im Jahr 1946 wurde in den Vereinigten Staaten von dem Physiker russischer Herkunft Georgy Gamov (1904-1968) eine "heiße" Version der Anfangsstadien der Expansion des Universums vorgeschlagen. 1948 wurde die Arbeit seiner Mitarbeiter Ralph Alfer und Robert Herman veröffentlicht, in der Kernreaktionen in heißer Materie zu Beginn der kosmologischen Expansion betrachtet wurden, um den aktuell beobachteten Zusammenhang zwischen der Anzahl verschiedener chemischer Elemente und ihrer Isotope. In jenen Jahren war der Wunsch natürlich, den Ursprung aller chemischen Elemente durch ihre Synthese in den ersten Momenten der Evolution der Materie zu erklären. Tatsache ist, dass die seit Beginn der Expansion des Universums verstrichene Zeit dann fälschlicherweise auf nur 2-4 Milliarden Jahre geschätzt wurde. Dies lag an dem überschätzten Wert der Hubble-Konstanten, der sich in diesen Jahren aus astronomischen Beobachtungen ergab.
Vergleicht man das Alter des Universums von 2-4 Milliarden Jahren mit der Schätzung des Alters der Erde - ca. 4 Milliarden Jahre - musste man annehmen, dass Erde, Sonne und Sterne aus Primärmaterie mit einer vorgefertigten Chemikalie entstanden sind Komposition. Es wurde angenommen, dass sich diese Zusammensetzung nicht wesentlich änderte, da die Synthese von Elementen in Sternen ein langsamer Prozess ist und vor der Bildung der Erde und anderer Körper keine Zeit für ihre Umsetzung war.
Die anschließende Revision der Skala der extragalaktischen Entfernungen führte zu einer Revision des Alters des Universums. Die Theorie der Sternentwicklung erklärt erfolgreich den Ursprung aller schweren Elemente (schwerer als Helium) durch ihre Nukleosynthese in Sternen. Es besteht keine Notwendigkeit mehr, den Ursprung aller Elemente, einschließlich der schweren, in der frühen Phase der Expansion des Universums zu erklären. Die Essenz der Hypothese des heißen Universums erwies sich jedoch als richtig.
Andererseits beträgt der Heliumgehalt von Sternen und interstellarem Gas etwa 30 Masse-%. Dies ist viel mehr, als Kernreaktionen in Sternen erklären können. Dies bedeutet, dass Helium im Gegensatz zu schweren Elementen zu Beginn der Expansion des Universums synthetisiert werden sollte, jedoch gleichzeitig - in begrenzter Menge.
Der Grundgedanke von Gamows Theorie ist genau, dass die hohe Temperatur einer Substanz die Umwandlung aller Materie in Helium verhindert. Im Moment 0,1 s nach Beginn der Expansion betrug die Temperatur etwa 30 Milliarden K. In einer so heißen Substanz befinden sich viele Photonen hoher Energie. Die Dichte und Energie von Photonen ist so groß, dass es zu einer Wechselwirkung von Licht mit Licht kommt, die zur Bildung von Elektron-Positron-Paaren führt. Die Vernichtung von Paaren kann wiederum zur Produktion von Photonen sowie zum Auftreten von Paaren von Neutrinos und Antineutrinos führen. Dieser "brodelnde Kessel" enthält gewöhnliche Materie. Komplexe Atomkerne können bei sehr hohen Temperaturen nicht existieren. Sie würden sofort von den umgebenden energetischen Teilchen zerschmettert. Daher existieren schwere Materieteilchen in Form von Neutronen und Protonen. Wechselwirkungen mit energetischen Teilchen bewirken, dass sich Neutronen und Protonen schnell ineinander umwandeln. Die Reaktionen der Kombination von Neutronen mit Protonen laufen jedoch nicht ab, da der resultierende Deuteriumkern sofort von hochenergetischen Teilchen aufgebrochen wird. Durch die hohe Temperatur am Anfang wird die Kette gebrochen, was zur Bildung von Helium führt.
Erst wenn das sich ausdehnende Universum auf Temperaturen unter einer Milliarde Kelvin abkühlt, ist ein Teil des entstehenden Deuteriums bereits gespeichert und führt zur Heliumsynthese. Berechnungen zeigen, dass Temperatur und Dichte eines Stoffes so angepasst werden können, dass zu diesem Zeitpunkt der Neutronenanteil im Stoff etwa 15 Masse-% beträgt. Diese Neutronen verbinden sich mit der gleichen Anzahl von Protonen zu etwa 30% des Heliums. Der Rest der schweren Teilchen blieb in Form von Protonen - den Kernen von Wasserstoffatomen. Kernreaktionen enden nach den ersten fünf Minuten nach Beginn der Expansion des Universums. Später, wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Temperatur seiner Materie und Strahlung ab. Aus den Arbeiten von Gamow, Alfer und Herman aus dem Jahr 1948 folgte: Wenn die Theorie des heißen Universums die Entstehung von 30% Helium und 70% Wasserstoff als die wichtigsten chemischen Elemente der Natur vorhersagt, dann muss das moderne Universum zwangsläufig mit ein Überbleibsel ("Relikt") urzeitlicher heißer Strahlung, und die heutige Temperatur dieser Reliktstrahlung sollte etwa 5 K betragen.
Die Analyse verschiedener Varianten des Beginns der kosmologischen Expansion endete jedoch nicht mit der Gamow-Hypothese. In den frühen 1960er Jahren unternahm Ya B Zel'dovich einen genialen Versuch, zur kalten Version zurückzukehren, der vorschlug, dass die ursprüngliche kalte Materie aus Protonen, Elektronen und Neutrinos bestehe. Wie Zeldovich gezeigt hat, verwandelt sich eine solche Mischung bei Expansion in reinen Wasserstoff. Helium und andere chemische Elemente wurden nach dieser Hypothese erst später synthetisiert, als die Sterne entstanden. Beachten Sie, dass Astronomen zu diesem Zeitpunkt bereits wussten, dass das Universum um ein Vielfaches älter ist als die Erde und die meisten Sterne um uns herum, und die Daten über die Häufigkeit von Helium in der prästellaren Materie waren in diesen Jahren noch sehr unsicher.
Es scheint, dass die Suche nach Reliktstrahlung der entscheidende Test für die Wahl zwischen kalten und heißen Modellen des Universums werden könnte. Aber aus irgendeinem Grund versuchte viele Jahre nach der Vorhersage von Gamow und seinen Kollegen niemand bewusst, diese Strahlung zu erkennen. Es wurde 1965 ganz zufällig von Radiophysikern der amerikanischen Firma "Bell" R. Wilson und A. Penzias entdeckt, die 1978 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden.
Zur Erkennung von CMB. Mitte der 1960er Jahre untersuchten Astrophysiker weiterhin theoretisch das heiße Modell des Universums. Die Berechnung der erwarteten Eigenschaften der Reliktstrahlung wurde 1964 von A. G. Doroshkevich und I. D. Novikov in der UdSSR und unabhängig von F. Hoyle und R. J. Taylor in Großbritannien durchgeführt. Aber diese Arbeiten erregten, wie die früheren Arbeiten von Gamow und Kollegen, keine Aufmerksamkeit. Aber sie haben bereits überzeugend gezeigt, dass die Reliktstrahlung beobachtet werden kann. Trotz der extremen Schwäche dieser Strahlung in unserer Zeit liegt sie glücklicherweise in dem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem alle anderen kosmischen Quellen im Allgemeinen noch schwächere aussenden. Daher hätte eine gezielte Suche nach Reliktstrahlung zu ihrer Entdeckung führen sollen, aber Radioastronomen wussten davon nichts.
Hier ist, was A. Penzias in seinem Nobelvortrag sagte: „Die erste veröffentlichte Anerkennung der Reliktstrahlung als nachweisbares Phänomen im Funkbereich erschien im Frühjahr 1964 in einem kurzen Artikel von A. G. Doroshkevich und I. D. Novikov mit dem Titel Mittlere Strahlungsdichte in der Metagalaxie und einige Fragen der relativistischen Kosmologie... Obwohl die englische Übersetzung im selben Jahr, wenig später, in der bekannten Zeitschrift "Soviet Physics - Doklady" erschien, erregte der Artikel offenbar nicht die Aufmerksamkeit anderer Spezialisten auf diesem Gebiet. Dieser bemerkenswerte Artikel leitete nicht nur das Spektrum des CMB als ein Schwarzkörper-Wellenphänomen ab, sondern konzentrierte sich auch klar auf den 20-Fuß-Hornreflektor in den Bell Laboratories in Crawford Hill als das am besten geeignete Instrument, um es zu entdecken! (zitiert nach: Sharov A.S., Novikov I.D. Der Mann, der die Explosion des Universums entdeckte: Das Leben und Werk von Edwin Hubble M., 1989).
Leider wurde dieser Artikel weder von Theoretikern noch von Beobachtern bemerkt; es regte nicht die Suche nach Reliktstrahlung an. Wissenschaftshistoriker fragen sich immer noch, warum jahrelang niemand versucht hat, bewusst nach der Strahlung des heißen Universums zu suchen. Es ist merkwürdig, dass diese Entdeckung vorbei ist - eine der größten des 20. Jahrhunderts. - die Wissenschaftler gingen mehrmals vorbei, ohne es zu bemerken.
So könnte die Reliktstrahlung bereits 1941 entdeckt worden sein. Dann analysierte der kanadische Astronom E. McKellar die Absorptionslinien, die im Spektrum des Sterns Zeta Ophiuchus durch interstellare Cyanmoleküle verursacht werden. Er kam zu dem Schluss, dass diese Linien im sichtbaren Spektralbereich nur entstehen können, wenn Licht von rotierenden Cyanmolekülen absorbiert wird und ihre Rotation durch Strahlung mit einer Temperatur von etwa 2,3 K angeregt werden sollte dachte damals, dass die Anregung der Rotationsniveaus dieser Moleküle durch Reliktstrahlung verursacht wird. Erst nach seiner Entdeckung im Jahr 1965 wurden die Arbeiten von ISShklovsky, J. Field und anderen veröffentlicht, in denen gezeigt wurde, dass die Anregung der Rotation interstellarer Cyanmoleküle, deren Linien in den Spektren vieler Sterne deutlich zu beobachten sind, wurde gerade durch die Reliktstrahlung verursacht.
Eine noch dramatischere Geschichte spielte sich Mitte der 1950er Jahre ab. Dann maß der junge Wissenschaftler T. A. Shmaonov unter der Leitung der berühmten sowjetischen Radioastronomen S. E. Khaikin und N. L. Kaidanovsky die Radioemission aus dem Weltraum bei einer Wellenlänge von 32 cm mit einer Hornantenne, die der langjährigen Verwendung ähnelte später von Penzias und Wilson. Shmaonov studierte sorgfältig die möglichen Störungen. Natürlich hatte er damals noch nicht so empfindliche Empfänger, die später in den Händen der Amerikaner auftauchten. Die Ergebnisse von Shmaonovs Messungen wurden 1957 in seiner Doktorarbeit und in der Zeitschrift "Instruments and Experimental Techniques" veröffentlicht. Die Schlussfolgerung aus diesen Messungen war wie folgt: "Es stellte sich heraus, dass der Absolutwert der effektiven Temperatur der Hintergrund-Radioemission ... 4 ± 3 K beträgt." Shmaonov bemerkte die Unabhängigkeit der Strahlungsintensität von der Himmelsrichtung und von der Zeit. Obwohl die Messfehler groß waren und über eine Zuverlässigkeit der Zahl 4 nicht gesprochen werden muss, ist uns jetzt klar, dass Shmaonov genau die Reliktstrahlung gemessen hat. Leider wussten weder er selbst noch andere Radioastronomen etwas über die Möglichkeit der Existenz von Reliktstrahlung und maßen diesen Messungen keine gebührende Bedeutung bei.
Schließlich ging um 1964 der berühmte Experimentalphysiker aus Princeton (USA) Robert Dicke dieses Problem bewusst an. Obwohl seine Argumentation auf der Theorie eines "oszillierenden" Universums beruhte, das immer wieder Expansion und Kontraktion erfährt, verstand Dicke die Notwendigkeit, nach Reliktstrahlung zu suchen. Auf seine Initiative hin führte Anfang 1965 der junge Theoretiker F.J.E. Peebles die notwendigen Berechnungen durch, und P.G. Roll und D.T. Wilkinson begannen mit dem Bau einer kleinen, rauscharmen Antenne auf dem Dach des Palmer Physics Laboratory in Princeton. Es ist nicht notwendig, große Radioteleskope zu verwenden, um nach Hintergrundstrahlung zu suchen, da die Strahlung aus allen Richtungen kommt. Es ist nichts zu gewinnen, wenn eine große Antenne den Strahl auf einen kleineren Bereich des Himmels fokussiert. Doch Dikkes Gruppe gelang es nicht, die geplante Entdeckung zu machen: Als ihre Ausrüstung bereits fertig war, mussten sie nur die Entdeckung bestätigen, die am Vortag versehentlich von anderen gemacht wurde.