Eine der Komponenten des allgemeinen Hintergrunds des Weltraums. Email mag. Strahlung. R. und. gleichmäßig über die Himmelskugel verteilt und entspricht in der Intensität der Wärmestrahlung eines absolut schwarzen Körpers bei einer Temperatur von ca. 3 K, nachgewiesen von Amer. Wissenschaftler A. Penzias und ... Physische Enzyklopädie
CMB-Strahlung, die das Universum erfüllt, kosmische Strahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut schwarzen Körpers mit einer Temperatur von etwa 3 K nahe kommt. Beobachtet bei Wellen von mehreren mm bis zu mehreren zehn cm, fast isotrop. Herkunft... ... Moderne Enzyklopädie
Kosmische Hintergrundstrahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines vollständig schwarzen Körpers mit einer Temperatur von ca. 3 K. Beobachtet bei Wellen von mehreren mm bis mehreren zehn cm, fast isotrop. Der Ursprung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist mit der Evolution verbunden... Großes enzyklopädisches Wörterbuch
kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung- Kosmische Radioemission im Hintergrund, die in den frühen Stadien der Entwicklung des Universums entstand. [GOST 25645.103 84] Themen, Bedingungen, physischer Raum. Weltraum DE Reliktstrahlung… Leitfaden für technische Übersetzer
Kosmische Hintergrundstrahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut schwarzen Körpers mit einer Temperatur von etwa 3°K nahe kommt. Beobachtet bei Wellen von mehreren Millimetern bis zu mehreren zehn Zentimetern, fast isotrop. Ursprung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung... ... Enzyklopädisches Wörterbuch
Elektromagnetische Strahlung, die den beobachtbaren Teil des Universums ausfüllt (siehe Universum). R. und. existierte bereits in den frühen Stadien der Expansion des Universums und spielte eine wichtige Rolle in seiner Entwicklung; ist eine einzigartige Informationsquelle über ihre Vergangenheit ... Große sowjetische Enzyklopädie
CMB-Strahlung- (vom lateinischen Reliktrest) kosmische elektromagnetische Strahlung, die mit der Entwicklung des Universums verbunden ist, deren Entwicklung nach dem „Urknall“ begann; kosmische Hintergrundstrahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut schwarzen Körpers nahe kommt mit... ... Die Anfänge der modernen Naturwissenschaft
Hintergrundraum Strahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut schwarzen Körpers mit einer Temperatur von ca. 3 K. Beobachtet bei Wellen von mehreren. mm bis mehrere zehn cm, nahezu isotrop. Herkunft von R. und. verbunden mit der Entwicklung des Universums, zum Paradies in der Vergangenheit... ... Naturwissenschaft. Enzyklopädisches Wörterbuch
Thermische kosmische Hintergrundstrahlung, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut schwarzen Körpers mit einer Temperatur von 2,7 K nahe kommt. Ursprung der Strahlung. im Zusammenhang mit der Entwicklung des Universums, das in der fernen Vergangenheit eine hohe Temperatur und Strahlungsdichte aufwies... ... Astronomisches Wörterbuch
Kosmologie Zeitalter des Universums Urknall Konvergierende Entfernung CMB Kosmologische Zustandsgleichung Dunkle Energie Verborgene Masse Friedmanns Universum Kosmologisches Prinzip Kosmologische Modelle Entstehung ... Wikipedia
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Trotz des Einsatzes moderner Instrumente und modernster Methoden zur Erforschung des Universums bleibt die Frage nach seiner Entstehung noch offen. Dies ist angesichts seines Alters nicht verwunderlich: Nach neuesten Daten liegt es zwischen 14 und 15 Milliarden Jahren. Es ist offensichtlich, dass es seitdem nur sehr wenige Beweise für die grandiosen Prozesse auf universeller Ebene gibt, die einst stattgefunden haben. Deshalb wagt es niemand, etwas zu behaupten und beschränkt sich auf Hypothesen. Einer von ihnen hat jedoch kürzlich ein sehr wichtiges Argument erhalten – die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.
Im Jahr 1964 beschlossen zwei Mitarbeiter eines bekannten Labors, das Funkbeobachtungen des Echo-Satelliten durchführte und über die entsprechende hochempfindliche Ausrüstung verfügte, einige ihrer Theorien über die eigene Funkemission bestimmter Weltraumobjekte zu testen.
Um mögliche Störungen durch bodengestützte Quellen herauszufiltern, entschied man sich für die Verwendung von 7,35 cm. Nach dem Einschalten und Abstimmen der Antenne wurde jedoch ein seltsames Phänomen registriert: Ein gewisses Rauschen, eine konstante Hintergrundkomponente, wurde während der gesamten Zeit aufgezeichnet Universum. Es hing nicht von der Position der Erde relativ zu anderen Planeten ab, was die Annahme einer Funkstörung durch diese oder die Tageszeit sofort ausschloss. Weder R. Wilson noch A. Penzias erkannten überhaupt, dass sie die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Universums entdeckt hatten.
Da keiner von ihnen davon ausging und den „Hintergrund“ auf die Besonderheiten der Geräte zurückführte (es genügt der Hinweis, dass die verwendete Mikrowellenantenne damals die empfindlichste war), verging fast ein ganzes Jahr, bis sich herausstellte, dass das aufgezeichnete Rauschen offensichtlich war war Teil des Universums selbst. Es stellte sich heraus, dass die Intensität des detektierten Funksignals nahezu identisch mit der Strahlungsintensität bei einer Temperatur von 3 Kelvin war (1 Kelvin entspricht -273 Grad Celsius). Zum Vergleich: Null Kelvin entspricht der Temperatur eines Objekts, das aus bewegungslosen Atomen besteht. reicht von 500 MHz bis 500 GHz.
Zu dieser Zeit berechneten zwei Theoretiker der Princeton University – R. Dicke und D. Pibbles – basierend auf neuen Modellen der Entwicklung des Universums mathematisch, dass solche Strahlung existieren und den gesamten Raum durchdringen sollte. Unnötig zu erwähnen, dass Penzias, der zufällig von Vorlesungen zu diesem Thema erfahren hatte, die Universität kontaktierte und berichtete, dass die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung registriert worden sei.
Basierend auf der Urknalltheorie entstand alle Materie durch eine kolossale Explosion. In den ersten 300.000 Jahren danach war der Weltraum eine Kombination aus Elementarteilchen und Strahlung. Anschließend begannen aufgrund der Expansion die Temperaturen zu sinken, was die Entstehung von Atomen ermöglichte. Die nachgewiesene Reliktstrahlung ist ein Echo dieser fernen Zeiten. Während das Universum Grenzen hatte, war die Teilchendichte so hoch, dass die Strahlung „gebunden“ war, da die Teilchenmasse jede Art von Wellen reflektierte und sie so an der Ausbreitung hinderte. Und erst nachdem die Bildung der Atome begann, wurde der Raum für Wellen „transparent“. Es wird angenommen, dass auf diese Weise die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entstanden ist. Derzeit enthält jeder Kubikzentimeter Raum etwa 500 Anfangsquanten, obwohl ihre Energie um fast das Hundertfache abgenommen hat.
CMB-Strahlung weist in verschiedenen Teilen des Universums unterschiedliche Temperaturen auf. Dies liegt an der Lage der Primärmaterie im expandierenden Universum. Wo die Dichte der Atome zukünftiger Materie höher war, verringerte sich der Anteil der Strahlung und damit ihre Temperatur. In diesen Richtungen bildeten sich später große Objekte (Galaxien und ihre Cluster).
Die Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung lüftet den Schleier der Unsicherheit über viele Prozesse, die zu Beginn der Zeit ablaufen.
Eine der interessanten Entdeckungen im Zusammenhang mit dem elektromagnetischen Spektrum ist kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Es wurde zufällig entdeckt, obwohl die Möglichkeit seiner Existenz vorhergesagt wurde.
Geschichte der Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
Geschichte der Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung begann im Jahr 1964. Amerikanisches Laborpersonal Klingeltelefon entwickelte ein Kommunikationssystem mithilfe eines künstlichen Erdsatelliten. Dieses System sollte bei Wellen von 7,5 Zentimetern Länge funktionieren. Solche Kurzwellen haben jedoch einige Vorteile gegenüber der Satellitenfunkkommunikation Arno Penzias Und Robert Wilson Niemand hat dieses Problem gelöst. Sie waren Pioniere auf diesem Gebiet und mussten sicherstellen, dass es auf derselben Wellenlänge nicht zu starken Störungen kam bzw. dass die Telekommunikationsmitarbeiter von solchen Störungen im Voraus wussten. Damals glaubte man, dass die Quelle der aus dem Weltraum kommenden Radiowellen nur punktförmige Objekte wie … sein könnten Radiogalaxien oder Sterne. Quellen von Radiowellen. Den Wissenschaftlern standen ein außergewöhnlich genauer Empfänger und eine rotierende Hornantenne zur Verfügung. Mit ihrer Hilfe könnten Wissenschaftler das gesamte Firmament abhören, ähnlich wie ein Arzt mit einem Stethoskop die Brust eines Patienten abhört.Natürliches Quellsignal
Und sobald die Antenne auf einen Punkt am Himmel gerichtet war, tanzte eine geschwungene Linie auf dem Bildschirm des Oszilloskops. Typisch natürliches Quellsignal. Die Experten waren wahrscheinlich von ihrem Glück überrascht: Gleich am ersten gemessenen Punkt befand sich eine Funkemissionsquelle! Aber egal wohin sie ihre Antenne richteten, der Effekt blieb derselbe. Wissenschaftler überprüften die Ausrüstung immer wieder, aber sie war in einwandfreiem Zustand. Und schließlich wurde ihnen klar, dass sie ein bisher unbekanntes Naturphänomen entdeckt hatten: Das gesamte Universum schien mit zentimeterlangen Radiowellen gefüllt zu sein. Wenn wir Radiowellen sehen könnten, würde uns das Firmament von Kante zu Kante leuchten.
Radiowellen des Universums. Die Entdeckung von Penzias und Wilson wurde veröffentlicht. Und nicht nur sie, sondern auch Wissenschaftler aus vielen anderen Ländern begannen mit der Suche nach Quellen mysteriöser Radiowellen, die von allen dafür geeigneten Antennen und Empfängern empfangen werden, egal wo sie sich befinden und egal auf welchen Punkt am Himmel sie gerichtet sind , und die Intensität der Radioemission bei einer Wellenlänge von 7,5 Zentimetern war an jedem Punkt absolut gleich, sie schien gleichmäßig über den gesamten Himmel verteilt zu sein. Von Wissenschaftlern berechnete CMB-Strahlung
Die sowjetischen Wissenschaftler A. G. Doroshkevich und I. D. Novikov, die vorhersagten kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung bevor es sich öffnet, komplexe Berechnungen angestellt. Sie berücksichtigten alle in unserem Universum verfügbaren Strahlungsquellen und berücksichtigten auch, wie sich die Strahlung bestimmter Objekte im Laufe der Zeit veränderte. Und es stellte sich heraus, dass im Bereich der Zentimeterwellen alle diese Strahlungen minimal sind und daher in keiner Weise für das festgestellte Himmelsglühen verantwortlich sind. Inzwischen ergaben weitere Berechnungen, dass die Dichte der verschmierten Strahlung sehr hoch ist. Hier ist ein Vergleich des Photonengelee (so nannten Wissenschaftler die mysteriöse Strahlung) mit der Masse aller Materie im Universum. Wenn die gesamte Materie aller sichtbaren Galaxien gleichmäßig über den gesamten Raum des Universums „verteilt“ ist, gibt es nur ein Wasserstoffatom pro drei Kubikmeter Raum (der Einfachheit halber betrachten wir die gesamte Materie der Sterne als Wasserstoff). ). Und gleichzeitig enthält jeder Kubikzentimeter des realen Raums etwa 500 Strahlungsphotonen. Ziemlich viel, auch wenn wir nicht die Anzahl der Materie- und Strahlungseinheiten vergleichen, sondern direkt deren Massen. Woher kam diese intensive Strahlung? Das entdeckte einst der sowjetische Wissenschaftler A. A. Friedman, als er Einsteins berühmte Gleichungen löste Unser Universum befindet sich in ständiger Expansion. Die Bestätigung dafür wurde bald gefunden. Der Amerikaner E. Hubble wurde entdeckt Phänomen der Galaxienrezession. Indem wir dieses Phänomen in die Vergangenheit extrapolieren, können wir den Zeitpunkt berechnen, als sich die gesamte Materie des Universums in einem sehr kleinen Volumen befand und ihre Dichte unvergleichlich größer war als jetzt. Während der Expansion des Universums nimmt die Wellenlänge jedes Quants proportional zur Expansion des Universums zu; in diesem Fall scheint das Quant „abzukühlen“ – denn je kürzer die Wellenlänge des Quants, desto „heißer“ ist es. Die heutige zentimetergroße Strahlung hat eine Helligkeitstemperatur von etwa 3 Grad absoluten Kelvin. Und vor zehn Milliarden Jahren, als das Universum unvergleichlich kleiner und die Dichte seiner Materie sehr hoch war, hatten diese Quanten eine Temperatur von etwa 10 Milliarden Grad. Seitdem ist unser Universum mit Quanten kontinuierlich abkühlender Strahlung „begraben“. Aus diesem Grund wird die im gesamten Universum „verschmierte“ Radioemission im Zentimeterbereich als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung bezeichnet. Relikte, wie Sie wissen, sind die Namen der Überreste der ältesten Tiere und Pflanzen, die bis heute überlebt haben. Zentimetergroße Strahlungsquanten sind sicherlich die ältesten aller möglichen Relikte. Schließlich geht ihre Entstehung auf eine Zeit zurück, die etwa 15 Milliarden Jahre von uns entfernt ist.Das Wissen über das Universum brachte kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung mit sich
Über die Beschaffenheit der Materie im Nullmoment, als ihre Dichte unendlich groß war, lässt sich fast nichts sagen. Aber die Phänomene und Prozesse, die dabei aufgetreten sind Universum, nur eine Sekunde nach ihrer Geburt und sogar noch früher, bis zu 10~8 Sekunden, können sich Wissenschaftler schon ganz gut vorstellen. Informationen hierzu wurden präzise übermittelt kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Seit dem Nullmoment ist also eine Sekunde vergangen. Die Materie unseres Universums hatte eine Temperatur von 10 Milliarden Grad und bestand aus einer Art „Brei“ Reliktquanten, Elektroden, Positronen, Neutrinos und Antineutrinos . Die Dichte des „Brei“ war enorm – mehr als eine Tonne pro Kubikzentimeter. Unter solch „überfüllten Bedingungen“ kam es ständig zu Kollisionen von Neutronen und Positronen mit Elektronen, Protonen verwandelten sich in Neutronen und umgekehrt. Vor allem aber gab es hier Quanten – 100 Millionen Mal mehr als Neutronen und Protonen. Natürlich könnten bei einer solchen Dichte und Temperatur keine komplexen Materiekerne existieren: Sie zerfielen hier nicht. Hundert Sekunden vergingen. Die Expansion des Universums ging weiter, seine Dichte nahm kontinuierlich ab und seine Temperatur sank. Positronen verschwanden fast, Neutronen verwandelten sich in Protonen. Die Bildung der Atomkerne aus Wasserstoff und Helium begann. Berechnungen von Wissenschaftlern zeigen, dass sich 30 Prozent der Neutronen zu Heliumkernen verbanden, während 70 Prozent davon allein blieben und zu Wasserstoffkernen wurden. Im Zuge dieser Reaktionen traten neue Quanten auf, deren Anzahl jedoch nicht mehr mit der ursprünglichen verglichen werden konnte, sodass wir davon ausgehen können, dass sie sich überhaupt nicht verändert hat. Die Expansion des Universums ging weiter. Die Dichte des von der Natur zu Beginn so steil gebrauten „Brei“ nahm proportional zur dritten Potenz der linearen Entfernung ab. Jahre, Jahrhunderte, Jahrtausende vergingen. 3 Millionen Jahre sind vergangen. Die Temperatur des „Brei“ war zu diesem Zeitpunkt auf 3-4.000 Grad gesunken, die Dichte der Materie näherte sich ebenfalls dem an, was wir heute kennen, aber es konnten noch keine Materieklumpen entstehen, aus denen Sterne und Galaxien entstehen könnten. Der Strahlungsdruck war zu diesem Zeitpunkt zu groß und verdrängte jede solche Formation. Sogar die Atome von Helium und Wasserstoff blieben ionisiert: Elektronen existierten getrennt, Protonen und Atomkerne existierten ebenfalls getrennt. Erst gegen Ende des Drei-Millionen-Jahres-Zeitraums traten erste Kondensationen im abkühlenden „Brei“ auf. Anfangs waren es nur sehr wenige. Sobald sich ein Tausendstel des „Brei“ zu eigenartigen Protosternen verdichtete, begannen diese Formationen ähnlich wie moderne Sterne zu „brennen“. Und die von ihnen emittierten Photonen und Energiequanten erhitzten den abkühlenden „Brei“ auf Temperaturen, bei denen sich die Bildung neuer Kondensationen erneut als unmöglich erwies. Perioden der Abkühlung und Wiedererwärmung des „Brei“ durch Ausbrüche von Protosternen wechselten sich ab und ersetzten einander. Und irgendwann in der Expansion des Universums wurde die Bildung neuer Kondensationen fast unmöglich, weil der einst so dicke „Brei“ zu „verflüssigt“ war. Ungefähr 5 Prozent der Materie gelang es, sich zu vereinen, und 95 Prozent wurden im Raum des expandierenden Universums verstreut. Auf diese Weise „verschwanden“ die einst heißen Quanten, die die Reliktstrahlung bildeten. Auf diese Weise wurden die Kerne der Wasserstoff- und Heliumatome, die Teil des „Brei“ waren, zerstreut.Hypothese der Entstehung des Universums
Hier ist eine davon: Der Großteil der Materie in unserem Universum befindet sich nicht in der Zusammensetzung von Planeten, Sternen und Galaxien, sondern bildet intergalaktisches Gas – 70 Prozent Wasserstoff und 30 Prozent Helium, ein Wasserstoffatom pro Kubikmeter Raum. Dann überschritt die Entwicklung des Universums das Stadium der Protosterne und trat in das Stadium der für uns gewöhnlichen Materie ein, gewöhnliche sich entfaltende Spiralgalaxien, gewöhnliche Sterne, von denen der unsrige am bekanntesten ist. Um einige dieser Sterne bildeten sich Planetensysteme, und auf mindestens einem dieser Planeten entstand Leben, aus dem im Laufe der Evolution Intelligenz hervorging. Wissenschaftler wissen noch nicht, wie oft in den Weiten des Weltraums Sterne gefunden werden, die von einem Planetenkreis umgeben sind. Über die Häufigkeit können sie keine Angaben machen.
Reigentanz der Planeten. Und die Frage, wie oft die Pflanze des Lebens zur üppigen Blume der Vernunft erblüht, bleibt offen. Die uns heute bekannten Hypothesen, die all diese Fragen interpretieren, ähneln eher unbegründeten Vermutungen. Aber heute entwickelt sich die Wissenschaft wie eine Lawine. In jüngerer Zeit hatten Wissenschaftler keine Ahnung, wie unsere begann. Die vor etwa 70 Jahren entdeckte kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung machte es möglich, dieses Bild zu zeichnen. Heutzutage verfügt die Menschheit nicht über genügend Fakten, auf deren Grundlage sie die oben formulierten Fragen beantworten kann. Das Eindringen in den Weltraum, Besuche auf dem Mond und anderen Planeten bringen neue Erkenntnisse. Und auf Fakten folgen nicht mehr Hypothesen, sondern strenge Schlussfolgerungen. CMB-Strahlung zeigt die Homogenität des Universums an
Was haben die Reliktstrahlen, diese Zeugen der Geburt unseres Universums, den Wissenschaftlern sonst noch erzählt? A. A. Friedman löste eine der von Einstein aufgestellten Gleichungen und entdeckte auf der Grundlage dieser Lösung die Expansion des Universums. Um Einsteins Gleichungen zu lösen, war es notwendig, die sogenannten Anfangsbedingungen festzulegen. Friedman ging davon aus, dass Das Universum ist homogen und isotrop, was bedeutet, dass die darin enthaltene Substanz gleichmäßig verteilt ist. Und in den fünf bis zehn Jahren, die seit Friedmans Entdeckung vergangen sind, blieb die Frage offen, ob diese Annahme richtig war. Jetzt wurde es im Wesentlichen entfernt. Die Isotropie des Universums wird durch die erstaunliche Gleichmäßigkeit der Reliktradioemission belegt. Die zweite Tatsache weist auf dasselbe hin – die Verteilung der Materie des Universums zwischen Galaxien und intergalaktischem Gas.
Schließlich ist das intergalaktische Gas, das den Großteil der Materie im Universum ausmacht, ebenso gleichmäßig im Universum verteilt wie Reliktquanten. Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ermöglicht einen Blick nicht nur in die ultraferne Vergangenheit – über die Grenzen der Zeit hinaus, als es weder unsere Erde, noch unsere Sonne, noch unsere Galaxie, noch nicht einmal das Universum selbst gab. Wie ein erstaunliches Teleskop, das in jede Richtung ausgerichtet werden kann, ermöglicht uns die Entdeckung des CMB einen Blick in die äußerst ferne Zukunft. So superweit entfernt, wenn es keine Erde, keine Sonne, keine Galaxie geben wird. Dabei hilft das Phänomen der Expansion des Universums, wie sich seine Bestandteile, Sterne, Galaxien, Staub- und Gaswolken im Weltraum verteilen. Ist dieser Prozess ewig? Oder wird sich die Expansion verlangsamen, stoppen und dann der Komprimierung weichen? Und sind die aufeinanderfolgenden Kompressionen und Expansionen des Universums nicht eine Art Pulsationen der Materie, unzerstörbar und ewig? Die Antwort auf diese Fragen hängt in erster Linie davon ab, wie viel Materie im Universum enthalten ist. Wenn seine Gesamtschwerkraft ausreicht, um die Trägheit der Expansion zu überwinden, wird die Expansion unweigerlich einer Kompression weichen, bei der die Galaxien allmählich näher zusammenrücken. Nun, wenn die Gravitationskräfte nicht ausreichen, um die Expansion zu verlangsamen und zu überwinden, ist unser Universum dem Untergang geweiht: Es wird sich im Weltraum auflösen! Das zukünftige Schicksal unseres gesamten Universums! Gibt es ein größeres Problem? Die Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gab der Wissenschaft die Möglichkeit, diese zu formulieren. Und es ist möglich, dass weitere Forschung das Problem lösen wird. CMB-Strahlung
Extragalaktische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung tritt im Frequenzbereich von 500 MHz bis 500 GHz auf, entsprechend Wellenlängen von 60 cm bis 0,6 mm. Diese Hintergrundstrahlung enthält Informationen über die Prozesse, die im Universum vor der Entstehung von Galaxien, Quasaren und anderen Objekten abliefen. Diese Strahlung, die sogenannte kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, wurde 1965 entdeckt, obwohl sie bereits in den 40er Jahren von George Gamow vorhergesagt wurde und seit Jahrzehnten von Astronomen untersucht wird.
Im expandierenden Universum hängt die durchschnittliche Materiedichte von der Zeit ab – in der Vergangenheit war sie höher. Bei der Expansion ändert sich jedoch nicht nur die Dichte, sondern auch die Wärmeenergie der Substanz, was bedeutet, dass das Universum in der frühen Phase der Expansion nicht nur dicht, sondern auch heiß war. Infolgedessen sollte in unserer Zeit eine Reststrahlung vorhanden sein, deren Spektrum dem Spektrum eines absolut festen Körpers entspricht, und diese Strahlung sollte stark isotrop sein. Im Jahr 1964 entdeckten A.A. Penzias und R. Wilson beim Testen einer empfindlichen Radioantenne eine sehr schwache Hintergrund-Mikrowellenstrahlung, die sie in keiner Weise beseitigen konnten. Es stellte sich heraus, dass seine Temperatur 2,73 K betrug, was nahe am vorhergesagten Wert liegt. Aus Isotropie-Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Quelle der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nicht innerhalb der Galaxie liegen kann, da dann eine Konzentration der Strahlung zum Zentrum der Galaxie hin zu beobachten wäre. Die Strahlungsquelle konnte nicht innerhalb des Sonnensystems lokalisiert werden, weil Es gäbe eine tägliche Schwankung der Strahlungsintensität. Aus diesem Grund wurde eine Schlussfolgerung über die extragalaktische Natur dieser Hintergrundstrahlung gezogen. Damit erhielt die Hypothese eines heißen Universums eine Beobachtungsbasis.
Um die Natur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu verstehen, ist es notwendig, sich den Prozessen zuzuwenden, die in den frühen Stadien der Expansion des Universums stattfanden. Betrachten wir, wie sich die physikalischen Bedingungen im Universum während des Expansionsprozesses verändert haben.
Jetzt enthält jeder Kubikzentimeter Raum etwa 500 Reliktphotonen, und es gibt viel weniger Materie pro Volumen. Da das Verhältnis der Anzahl der Photonen zur Anzahl der Baryonen während der Expansion erhalten bleibt, die Energie der Photonen während der Expansion des Universums jedoch aufgrund der Rotverschiebung mit der Zeit abnimmt, können wir daraus schließen, dass die Energie irgendwann in der Vergangenheit angestiegen ist Die Strahlungsdichte war größer als die Energiedichte der Materieteilchen. Diese Zeit wird als Strahlungsstadium in der Entwicklung des Universums bezeichnet. Die Strahlungsstufe war durch die Gleichheit der Temperatur der Substanz und der Strahlung gekennzeichnet. Zu dieser Zeit bestimmte die Strahlung vollständig die Art der Expansion des Universums. Etwa eine Million Jahre nach Beginn der Expansion des Universums sank die Temperatur auf mehrere tausend Grad und es kam zu einer Rekombination von Elektronen, die zuvor freie Teilchen waren, mit Protonen und Heliumkernen, d. h. Bildung von Atomen. Das Universum ist für Strahlung transparent geworden, und es ist diese Strahlung, die wir jetzt entdecken und als Reliktstrahlung bezeichnen. Zwar hat die Energie der Photonen seit dieser Zeit aufgrund der Expansion des Universums um etwa das Hundertfache abgenommen. Im übertragenen Sinne haben kosmische Mikrowellen-Hintergrundquanten die Ära der Rekombination „geprägt“ und direkte Informationen über die ferne Vergangenheit übermittelt.
Nach der Rekombination begann sich die Materie zum ersten Mal unabhängig von der Strahlung unabhängig zu entwickeln, und es begannen sich darin Dichten zu bilden – die Embryonen zukünftiger Galaxien und ihrer Cluster. Aus diesem Grund sind Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung – ihres Spektrums und ihrer räumlichen Fluktuationen – für Wissenschaftler so wichtig. Ihre Bemühungen waren nicht umsonst: Anfang der 90er Jahre. Das russische Weltraumexperiment Relikt-2 und das amerikanische Weltraumexperiment Kobe entdeckten Unterschiede in der Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung benachbarter Himmelsbereiche, und die Abweichung von der Durchschnittstemperatur beträgt nur etwa ein Tausendstel Prozent. Diese Temperaturschwankungen enthalten Informationen über die Abweichung der Materiedichte vom Durchschnittswert während der Rekombinationsepoche. Nach der Rekombination war die Materie im Universum nahezu gleichmäßig verteilt, und dort, wo die Dichte zumindest leicht über dem Durchschnitt lag, war die Anziehung stärker. Es waren Dichteschwankungen, die später zur Bildung großräumiger Strukturen, Galaxienhaufen und einzelner Galaxien führten, die im Universum beobachtet wurden. Nach modernen Vorstellungen müssten sich die ersten Galaxien in einer Epoche gebildet haben, die Rotverschiebungen von 4 bis 8 entspricht.
Gibt es eine Chance, noch weiter in die Zeit vor der Rekombination zu blicken? Bis zur Rekombination war es vor allem der Druck der elektromagnetischen Strahlung, der das Gravitationsfeld erzeugte, das die Expansion des Universums verlangsamte. Zu diesem Zeitpunkt veränderte sich die Temperatur umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der seit Beginn der Expansion verstrichenen Zeit. Betrachten wir nacheinander die verschiedenen Expansionsstadien 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 sank, waren es fast alle Protonen und Neutronen vernichtet und verwandelt sich in Strahlungsquanten; Es blieben nur diejenigen übrig, für die es „nicht genügend“ Antiteilchen gab. Aus diesen „überschüssigen“ Protonen und Neutronen besteht die Materie des modernen beobachtbaren Universums hauptsächlich.
Bei T = 2*1010 K hörten alle durchdringenden Neutrinos auf, mit Materie zu interagieren – von diesem Moment an sollte ein „Relikt-Neutrino-Hintergrund“ übrig geblieben sein, der möglicherweise bei zukünftigen Neutrino-Experimenten nachgewiesen werden kann.
Alles, was gerade besprochen wurde, geschah bei ultrahohen Temperaturen in der ersten Sekunde nach Beginn der Expansion des Universums. Wenige Sekunden nach der „Geburt“ des Universums begann die Ära der primären Nukleosynthese, in der sich Kerne aus Deuterium, Helium, Lithium und Beryllium bildeten. Es dauerte etwa drei Minuten und sein Hauptergebnis war die Bildung von Heliumkernen (25 % der Masse aller Materie im Universum). Die übrigen Elemente, die schwerer als Helium sind, machten einen vernachlässigbaren Teil der Substanz aus – etwa 0,01 %.
Nach der Ära der Nukleosynthese und vor der Ära der Rekombination (etwa 106 Jahre) kam es zu einer stillen Expansion und Abkühlung des Universums, und dann – Hunderte Millionen Jahre nach dem Beginn – erschienen die ersten Galaxien und Sterne.
In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung der Kosmologie und Elementarteilchenphysik 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 besonderen Zustand befinden könnte, in dem es sich mit Beschleunigung ausdehnte und die Energie pro Volumeneinheit konstant blieb. Diese Expansionsphase wurde als inflationär bezeichnet. Ein solcher Zustand der Materie ist unter einer Bedingung möglich – Unterdruck. Die Phase der ultraschnellen Inflationsexpansion erstreckte sich über einen winzigen Zeitraum: Sie endete nach etwa 10–36 Sekunden. Es wird angenommen, dass die tatsächliche „Geburt“ der Elementarteilchen der Materie in der Form, in der wir sie heute kennen, unmittelbar nach dem Ende der Inflationsphase erfolgte und durch den Zerfall eines hypothetischen Feldes verursacht wurde. Danach setzte sich die Expansion des Universums durch Trägheit fort.
Die Hypothese des inflationären Universums beantwortet eine Reihe wichtiger Fragen der Kosmologie, die bis vor Kurzem als unerklärliche Paradoxien galten, insbesondere die Frage nach der Ursache der Expansion des Universums. Wenn das Universum in seiner Geschichte wirklich eine Ära durchgemacht hätte, in der ein großer Unterdruck herrschte, dann hätte die Schwerkraft zwangsläufig keine Anziehung, sondern eine gegenseitige Abstoßung materieller Teilchen verursachen müssen. Und das bedeutet, dass das Universum begann, sich schnell und explosionsartig auszudehnen. Natürlich ist das Modell des inflationären Universums nur eine Hypothese: Selbst eine indirekte Überprüfung seiner Bestimmungen erfordert Instrumente, die einfach noch nicht geschaffen wurden. Die Idee der beschleunigten Expansion des Universums im frühesten Stadium seiner Entwicklung ist jedoch fest in der modernen Kosmologie verankert.
Wenn wir über das frühe Universum sprechen, werden wir plötzlich von den größten kosmischen Maßstäben in die Region der Mikrowelt versetzt, 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 verknüpft. Das Größte und das Kleinste sind hier miteinander verbunden. Das 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 Lebewesen repräsentiert; Vielzeller wiederum werden durch Pilze, Pflanzen und Tiere repräsentiert. Jedes dieser Königreiche vereint verschiedene Typen, Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen, Arten, Populationen und Individuen.
Bei all der scheinbar endlosen Vielfalt der Lebewesen lassen sich mehrere unterschiedliche Ebenen der Organisation von Lebewesen unterscheiden: molekular, zellulär, Gewebe, Organ, ontogenetisch, Population, Art, biogeozänotisch, Biosphäre. Um das Lernen zu erleichtern, sind die aufgeführten Niveaus hervorgehoben. Wenn wir versuchen, die Hauptebenen zu identifizieren, die weniger die Ebenen der Forschung als vielmehr die Ebenen der Organisation des Lebens auf der Erde widerspiegeln, dann sollte das Hauptkriterium für eine solche Identifizierung das Vorhandensein spezifischer elementarer, diskreter Strukturen und elementarer Phänomene sein. Mit diesem Ansatz erweist es sich als notwendig und ausreichend, molekulargenetische, ontogenetische, Populationsarten- und biogeozänotische Ebenen zu unterscheiden (N.V. Timofeev-Resovsky und andere).
Molekulargenetische Ebene. Beim Studium dieser Ebene wurde offenbar die größte Klarheit bei der Definition grundlegender Konzepte sowie bei der Identifizierung elementarer Strukturen und Phänomene erreicht. Die Entwicklung der chromosomalen Vererbungstheorie, die Analyse des Mutationsprozesses und die Untersuchung der Struktur von Chromosomen, Phagen und Viren enthüllten die Hauptmerkmale der Organisation elementarer genetischer Strukturen und damit verbundener Phänomene. Es ist bekannt, dass die Hauptstrukturen auf dieser Ebene (Codes erblicher Informationen, die von Generation zu Generation weitergegeben werden) DNA sind, die nach Länge in Codeelemente differenziert sind – Tripletts stickstoffhaltiger Basen, die Gene bilden.
Gene auf dieser Ebene der Lebensorganisation stellen elementare Einheiten dar. Als wichtigste elementare Phänomene im Zusammenhang mit Genen können deren lokale Strukturveränderungen (Mutationen) und die Übertragung der in ihnen gespeicherten Informationen an intrazelluläre Kontrollsysteme angesehen werden.
Die konvariante Reduplikation erfolgt nach dem Template-Prinzip durch Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen der DNA-Doppelhelix unter Beteiligung des Enzyms DNA-Polymerase. Dann bildet jeder der Stränge einen entsprechenden Strang, woraufhin die neuen Stränge komplementär miteinander verbunden werden. Die Pyrimidin- und Purinbasen der komplementären Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen durch DNA-Polymerase zusammengehalten. Dieser Vorgang erfolgt sehr schnell. Somit dauert die Selbstorganisation der Escherichia coli-DNA, die aus etwa 40.000 Nukleotidpaaren besteht, nur 100 s. Genetische Informationen werden vom Zellkern durch mRNA-Moleküle in das Zytoplasma zu den Ribosomen übertragen und sind dort an der Proteinsynthese beteiligt. Ein Protein mit Tausenden von Aminosäuren wird in einer lebenden Zelle in 5–6 Minuten synthetisiert, in Bakterien sogar schneller.
Die wichtigsten Kontrollsysteme, sowohl bei der konvarianten Reduplikation als auch bei der intrazellulären Informationsübertragung, nutzen das „Matrixprinzip“, d. h. sind Matrizen, neben denen die entsprechenden spezifischen Makromoleküle aufgebaut sind. Derzeit wird der in der Struktur von Nukleinsäuren eingebettete Code, der als Matrix für die Synthese spezifischer Proteinstrukturen in Zellen dient, erfolgreich entschlüsselt. Die auf Matrixkopien basierende Reduplikation 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 Lebensphänomene, die auf allen anderen Ebenen der Lebensorganisation auftreten.
Kosmische elektromagnetische Strahlung, die von allen Seiten des Himmels mit annähernd gleicher Intensität auf die Erde trifft und ein für Schwarzkörperstrahlung charakteristisches Spektrum bei einer Temperatur von etwa 3 K (3 Grad auf der absoluten Kelvin-Skala, was -270 °C entspricht) aufweist. . Bei dieser Temperatur kommt der Hauptanteil der Strahlung von Radiowellen im Zentimeter- und Millimeterbereich. Die Energiedichte der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung beträgt 0,25 eV/cm 3 .
Experimentelle Radioastronomen nennen diese Strahlung lieber „kosmischen Mikrowellenhintergrund“ (CMB). Theoretische Astrophysiker nennen es oft „Reliktstrahlung“ (der Begriff wurde vom russischen Astrophysiker I.S. Shklovsky vorgeschlagen), da diese Strahlung im Rahmen der heute allgemein anerkannten Theorie des heißen Universums in der frühen Phase der Expansion unseres Universums entstand Welt, als seine Materie fast homogen und sehr heiß war. Manchmal findet man in der wissenschaftlichen und populären Literatur auch den Begriff „dreigradige kosmische Strahlung“. Im Folgenden nennen wir diese Strahlung „Reliktstrahlung“.
Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Jahr 1965 war für die Kosmologie von großer Bedeutung; es wurde zu einer der bedeutendsten Errungenschaften der Naturwissenschaften des 20. Jahrhunderts. und natürlich das wichtigste für die Kosmologie nach der Entdeckung der Rotverschiebung in den Spektren von Galaxien. Schwache Reliktstrahlung liefert uns Informationen über die ersten Momente der Existenz unseres Universums, über jene ferne Ära, als das gesamte Universum heiß war und in ihm keine Planeten, keine Sterne, keine Galaxien existierten. Detaillierte Messungen dieser Strahlung, die in den letzten Jahren mit bodengestützten, stratosphärischen und weltraumgestützten Observatorien durchgeführt wurden, lüften den Vorhang hinter dem Geheimnis der Entstehung des Universums.
Theorie des heißen Universums. Im Jahr 1929 entdeckte der amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889-1953), dass sich die meisten Galaxien von uns entfernen, und zwar umso schneller, je weiter die Galaxie entfernt ist (Hubble-Gesetz). Dies wurde als 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 begannen, sich voneinander zu entfernen, und sogar 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) geschaffen wurde ), über den physikalischen Zustand war nichts über den Zustand des Universums in der frühen Ära seiner Entwicklung bekannt. Es war nicht einmal sicher, 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 für die Entwicklung des Universums in der Vergangenheit, als man glaubte, dass seine Materie auf eine hohe Dichte komprimiert sei, bei der Kernreaktionen möglich seien. Diese Modelle sollten zunächst die Zusammensetzung der Materie des Universums erklären, die zu diesem Zeitpunkt bereits recht zuverlässig aus Beobachtungen der Spektren von Sternen gemessen werden konnte: Im Durchschnitt bestehen sie zu 2/3 aus Wasserstoff und 1/3 Helium und alle anderen chemischen Elemente zusammen machen nicht mehr als 2 % aus. Die Kenntnis der Eigenschaften intranuklearer Teilchen – Protonen und Neutronen – ermöglichte die Berechnung von Optionen für den Beginn der Expansion des Universums, die sich im Anfangsgehalt dieser Teilchen und der Temperatur der Substanz und der Strahlung, die sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, unterscheiden damit. Jede der Optionen ergab eine eigene Zusammensetzung der ursprünglichen Substanz des Universums.
Wenn wir die Details weglassen, gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten für die Bedingungen, unter denen der Beginn der Expansion des Universums stattfand: Seine Materie könnte entweder kalt oder heiß sein. Die Folgen nuklearer Reaktionen unterscheiden sich grundsätzlich voneinander. Obwohl Lemaitre die Idee der Möglichkeit einer heißen Vergangenheit des Universums in seinen frühen Werken zum Ausdruck brachte, war er historisch gesehen der erste, der die Möglichkeit eines kalten Anfangs in den 1930er Jahren in Betracht zog.
In den ersten Annahmen ging man davon aus, dass alle Materie im Universum zunächst in Form kalter Neutronen existierte. Später stellte sich heraus, dass diese Annahme den Beobachtungen widerspricht. Tatsache ist, dass ein Neutron im freien Zustand durchschnittlich 15 Minuten nach seinem Auftreten zerfällt und sich in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino verwandelt. In einem expandierenden Universum würden die resultierenden Protonen beginnen, sich mit den verbleibenden Neutronen zu verbinden und die Kerne von Deuteriumatomen zu bilden. Darüber hinaus würde eine Kette von Kernreaktionen zur Bildung von Kernen aus Heliumatomen führen. Komplexere Atomkerne entstehen dabei, wie Berechnungen zeigen, praktisch nicht. Dadurch würde sich alle Materie in Helium verwandeln. Diese Schlussfolgerung steht in scharfem Widerspruch zu Beobachtungen von Sternen und interstellarer Materie. Das Vorkommen chemischer Elemente in der Natur widerlegt die Hypothese, dass die Ausdehnung der Materie in Form kalter Neutronen beginnt.
1946 schlug der in Russland geborene Physiker Georgy Gamow (1904-1968) in den USA eine „heiße“ Version der Anfangsstadien der Expansion des Universums vor. 1948 wurde die Arbeit seiner Mitarbeiter Ralph Alpher und Robert Herman veröffentlicht, die Kernreaktionen in heißer Materie zu Beginn der kosmologischen Expansion untersuchten, um die derzeit beobachteten Beziehungen zwischen den Mengen verschiedener chemischer Elemente und ihren Isotopen zu ermitteln. In jenen Jahren war der Wunsch natürlich, den Ursprung aller chemischen Elemente durch ihre Synthese in den ersten Augenblicken der Evolution der Materie zu erklären. Tatsache ist, dass man damals fälschlicherweise die seit Beginn der Expansion des Universums vergangene Zeit auf nur 2-4 Milliarden Jahre schätzte. Dies war auf den überschätzten Wert der Hubble-Konstante zurückzuführen, der sich aus astronomischen Beobachtungen dieser Jahre ergab.
Beim Vergleich des Alters des Universums von 2 bis 4 Milliarden Jahren mit dem geschätzten Alter der Erde von etwa 4 Milliarden Jahren mussten wir davon ausgehen, dass Erde, Sonne und Sterne aus Primärmaterie mit einer vorgefertigten chemischen Zusammensetzung entstanden sind . Es wurde angenommen, dass sich diese Zusammensetzung nicht wesentlich veränderte, da die Synthese von Elementen in Sternen ein langsamer Prozess ist und vor der Entstehung der Erde und anderer Körper keine Zeit für ihre Umsetzung blieb.
Die anschließende Überarbeitung der extragalaktischen Entfernungsskala führte auch zu einer Überarbeitung 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, auch der schweren, im frühen Stadium der Expansion des Universums zu erklären. Der Kern der Hypothese des heißen Universums erwies sich jedoch als richtig.
Andererseits beträgt der Heliumgehalt von Sternen und interstellarem Gas etwa 30 Massen-%. Das ist viel mehr, als durch Kernreaktionen in Sternen erklärt werden kann. Dies bedeutet, dass Helium im Gegensatz zu schweren Elementen zu Beginn der Expansion des Universums synthetisiert werden sollte, jedoch gleichzeitig in begrenzten Mengen.
Der Grundgedanke von Gamows Theorie besteht genau darin, dass die hohe Temperatur eines Stoffes die Umwandlung des gesamten Stoffes in Helium verhindert. Im Moment 0,1 Sekunden nach Beginn der Expansion betrug die Temperatur etwa 30 Milliarden K. Solche heiße Materie enthält viele hochenergetische Photonen. Die Dichte und Energie der Photonen ist so hoch, dass Licht mit Licht wechselwirkt und dabei Elektron-Positron-Paare entstehen. Die Vernichtung von Paaren kann wiederum zur Produktion von Photonen sowie zur Entstehung von Neutrino- und Antineutrinopaaren führen. In diesem „brodelnden Kessel“ befindet sich eine gewöhnliche Substanz. Bei sehr hohen Temperaturen können komplexe Atomkerne nicht existieren. Sie würden sofort von den umgebenden energiereichen Teilchen zerschlagen werden. Daher liegen schwere Materieteilchen in Form von Neutronen und Protonen vor. Durch Wechselwirkungen mit energiereichen Teilchen wandeln sich Neutronen und Protonen schnell ineinander um. Die Reaktionen der Kombination von Neutronen mit Protonen finden jedoch nicht statt, da der entstehende Deuteriumkern sofort von energiereichen Teilchen aufgebrochen wird. Aufgrund der hohen Temperatur reißt also gleich zu Beginn die Kette, die zur Bildung von Helium führt.
Erst wenn sich das Universum ausdehnt und auf eine Temperatur unter einer Milliarde Kelvin abkühlt, wird ein Teil des entstehenden Deuteriums bereits gespeichert und führt zur Heliumsynthese. Berechnungen zeigen, dass Temperatur und Dichte eines Stoffes so eingestellt werden können, dass zu diesem Zeitpunkt der Neutronenanteil im Stoff etwa 15 Massen-% beträgt. Diese Neutronen bilden zusammen mit der gleichen Anzahl Protonen etwa 30 % des Heliums. Die restlichen schweren Teilchen verblieben in Form von Protonen – den Kernen von Wasserstoffatomen. Kernreaktionen enden nach den ersten fünf Minuten nach Beginn der Expansion des Universums. Wenn sich das Universum anschließend ausdehnt, sinkt die Temperatur seiner Materie und Strahlung. Aus den Arbeiten von Gamow, Alpher und Herman aus dem Jahr 1948 folgte: Wenn die Theorie des heißen Universums die Entstehung von 30 % Helium und 70 % Wasserstoff als den wichtigsten chemischen Elementen der Natur vorhersagt, dann muss das moderne Universum zwangsläufig mit a gefüllt sein Überbleibsel („Relikt“) der ursprünglichen heißen Strahlung und der modernen Temperatur. Diese CMB sollte etwa 5 K betragen.
Die Analyse verschiedener Optionen für den Beginn der kosmologischen Expansion endete jedoch nicht mit Gamows Hypothese. In den frühen 1960er Jahren unternahm Ya.B Zeldovich einen genialen Versuch, zur kalten Version zurückzukehren, der vermutete, dass die ursprüngliche kalte Materie aus Protonen, Elektronen und Neutrinos bestehe. Wie Zeldovich zeigte, verwandelt sich eine solche Mischung bei der Expansion in reinen Wasserstoff. Helium und andere chemische Elemente wurden dieser Hypothese zufolge später bei der Sternentstehung synthetisiert. 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 dass Daten über die Häufigkeit von Helium in prästellarer Materie in diesen Jahren noch sehr unsicher waren.
Es scheint, dass der entscheidende Test für die Wahl zwischen dem kalten und dem heißen Modell des Universums die Suche nach kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sein könnte. Aber aus irgendeinem Grund versuchte viele Jahre nach der Vorhersage von Gamow und seinen Kollegen niemand bewusst, diese Strahlung nachzuweisen. Es wurde 1965 ganz zufällig von den Radiophysikern der amerikanischen Bell-Firma R. Wilson und A. Penzias entdeckt, die 1978 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden.
Auf dem Weg zur Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Mitte der 1960er Jahre setzten Astrophysiker ihre theoretische Untersuchung des heißen Modells des Universums fort. Die Berechnung der erwarteten Eigenschaften der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wurde 1964 von A.G. Doroshkevich und I.D. Novikov in der UdSSR und unabhängig davon von F. Hoyle und R. J. Taylor im Vereinigten Königreich durchgeführt. Doch diese Werke erregten, wie auch die früheren Werke von Gamow und seinen Kollegen, keine Beachtung. Aber sie haben bereits überzeugend gezeigt, dass kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung 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 Strahlung aussenden. Daher hätte eine gezielte Suche nach der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu seiner Entdeckung führen sollen, doch Radioastronomen wussten nichts davon.
Dies sagte A. Penzias in seinem Nobelvortrag: „Die erste veröffentlichte Anerkennung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung als nachweisbares Phänomen im Radiobereich erschien im Frühjahr 1964 in einem kurzen Artikel von A. G. Doroshkevich und I. D. Novikov mit dem Titel „ Durchschnittliche Strahlungsdichte in der Metagalaxie und einige Fragen der relativistischen Kosmologie. Obwohl im selben Jahr, etwas später, eine englische Übersetzung in der weithin bekannten Zeitschrift „Soviet Physics – Reports“ erschien, erregte der Artikel offenbar nicht die Aufmerksamkeit anderer Spezialisten auf diesem Gebiet. Diese bemerkenswerte Arbeit leitet nicht nur das Spektrum des CMB als Schwarzkörperwellenphänomen ab, sondern konzentriert sich auch eindeutig auf den 20-Fuß-Hornreflektor im Bell Laboratory in Crawford Hill als das am besten geeignete Instrument für seinen Nachweis!“ (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 blieb dieser Artikel sowohl von Theoretikern als auch von Beobachtern unbeachtet; es hat die Suche nach kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nicht angeregt. Wissenschaftshistoriker fragen sich immer noch, warum jahrelang niemand versucht hat, bewusst nach Strahlung aus dem heißen Universum zu suchen. Es ist merkwürdig, dass diese Entdeckung vorbei ist – eine der größten im 20. Jahrhundert. - Die Wissenschaftler gingen mehrmals vorbei, ohne ihn zu bemerken.
Beispielsweise könnte die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung bereits 1941 entdeckt worden sein. Damals analysierte der kanadische Astronom E. McKellar die Absorptionslinien, die durch interstellare Cyanmoleküle im Spektrum des Sterns Zeta Ophiuchi verursacht werden. Er kam zu dem Schluss, dass diese Linien im sichtbaren Bereich des Spektrums nur entstehen können, wenn Licht von rotierenden Cyanmolekülen absorbiert wird, und dass ihre Rotation durch Strahlung mit einer Temperatur von etwa 2,3 K angeregt werden sollte. Natürlich konnte das niemand haben Damals dachte man, dass die Anregung der Rotationsniveaus dieser Moleküle durch kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung verursacht wird. Erst nach seiner Entdeckung im Jahr 1965 wurden die Arbeiten von I.S. Shklovsky, 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, wird genau durch Reliktstrahlung verursacht.
Eine noch dramatischere Geschichte ereignete sich Mitte der 1950er Jahre. Dann führte der junge Wissenschaftler T.A. Shmaonov unter der Leitung der berühmten sowjetischen Radioastronomen S.E. Khaikin und N.L. Kaidanovsky Messungen der Radioemission aus dem Weltraum bei einer Wellenlänge von 32 cm durch viele Jahre später von Penzias und Wilson verwendet. Shmaonov untersuchte sorgfältig mögliche Störungen. Natürlich verfügte er zu diesem Zeitpunkt noch nicht über so empfindliche Empfänger, wie sie die Amerikaner später erwarben. Die Ergebnisse von Shmaonovs Messungen wurden 1957 in der Dissertation seines Kandidaten und in der Zeitschrift „Instruments and Experimental Techniques“ veröffentlicht. Die Schlussfolgerung aus diesen Messungen lautete wie folgt: „Es stellte sich heraus, dass der Absolutwert der effektiven Temperatur der Hintergrundfunkemission … 4 ± 3 K beträgt.“ Shmaonov stellte die Unabhängigkeit der Strahlungsintensität von der Richtung am Himmel und von der Zeit fest. Obwohl die Messfehler groß waren und über eine Zuverlässigkeit der Zahl 4 nicht gesprochen werden muss, ist uns nun klar, dass Shmaonov die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung genau gemessen hat. Leider wussten weder er selbst noch andere Radioastronomen etwas über die Möglichkeit der Existenz kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und maßen diesen Messungen nicht die gebührende Bedeutung bei.
Um 1964 schließlich ging der berühmte Experimentalphysiker aus Princeton (USA), Robert Dicke, bewusst mit diesem Problem um. Obwohl seine Argumentation auf der Theorie eines „oszillierenden“ Universums basierte, das wiederholt Expansion und Kontraktion erfährt, verstand Dicke klar die Notwendigkeit, nach kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu suchen. Auf seine Initiative hin führte der junge Theoretiker F. J. E. Peebles Anfang 1965 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 Physical Laboratory in Princeton. Es ist nicht notwendig, mit großen Radioteleskopen nach Hintergrundstrahlung zu suchen, da die Strahlung aus allen Richtungen kommt. Es bringt nichts, den Strahl einer großen Antenne auf einen kleineren Bereich des Himmels zu fokussieren. Doch Dickes Gruppe hatte keine Zeit, die geplante Entdeckung zu machen: Als ihre Ausrüstung bereits fertig war, musste sie nur noch die Entdeckung bestätigen, die andere am Tag zuvor zufällig gemacht hatten.
