Спектр излучений Вселенной

Спектр излучения Вселенной

Введение

Излучение Вселенной, названное реликтовым, впервые было открыто американскими физиками Пензиасом и Вильсоном в 1965 г. за что им была присуждена Нобелевская премия в 1978 г. Анализ спектра этого излучения показал, что его зависимость от длины волны похожа на экспериментальную зависимость излучения охлаждающегося черного тела, которая описывается формулой Планка. Поэтому принадлежность реликтового излучения процессу охлаждения Вселенной после так называемого Большого взрыва была признана доказанным фактом.

Однако в 2004 г. этот факт был опровергнут. Новый анализ спектра реликтового излучения показал, что его источником является процесс синтеза и охлаждения атомов водорода, который идет в звёздах Вселенной непрерывно и не имеет никакого отношения к Большому взрыву.

В 2006 г. Нобелевский комитет выдал вторую премию за дополнительную экспериментальную информацию о реликтовом излучении, оставив в силе ошибочную интерпретацию природы этого излучения. Это побудило нас опубликовать подробный анализ реликтового излучения, убедительно доказывающий реальный, а не вымышленный источник этого излучения. Сейчас мы узнаем истинную природу других максимумов излучения Вселенной (рис. 1, точки В и С), которые, как считается, формируются инфракрасными источниками.

1. Реликтовое излучение

 

Считается, что реликтовое излучение (рис. 1, максимум в точке А) родилось более 10 миллиардов лет назад в результате «Большого взрыва». Интенсивность реликтового излучения выше среднего фона не обнаружена. Уменьшение плотности реликтового излучения от фоновой величины фиксируется и называется анизотропией реликтового излучения. Она обнаружена на уровне 0,001% и объясняется существованием эпохи рекомбинации водорода, спустя 300 тысяч лет после «Большого взрыва». Эта эпоха, как считают астрофизики, «заморозила» неоднородность в спектре излучения, которая сохранилась до наших дней.

Рис. 1. Зависимость плотности реликтового излучения Вселенной от длины волны:

теоретическая – тонкая линия; экспериментальная – жирная линия

Теоретическая зависимость плотности излучения Вселенной (рис. 1 – тонкая линия) подобна зависимости плотности излучения абсолютно черного тела описываемого формулой Планка.

С учетом физического смысла составляющих формулы Планка, физический смысл всей формулы – статистическое распределение количества фотонов разных энергий в полости черного тела с температурой .

Максимум излучения Вселенной зафиксирован при температуре (рис. 1, точка А). В соответствии с законом Вина, длина волны фотонов, формирующих эту температуру, равна

Совпадение теоретической величины длины волны (рис. 1, точка 3) с её экспериментальным значением , доказывает корректность использования формулы Вина для анализа спектра излучения Вселенной.

Фотоны с длиной волны , обладают энергией

.

Энергия  соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания его на энергетическом уровне Она равна энергии фотона, излучённого электроном в момент установления контакта с протоном и начала формирования атома водорода.

Процесс сближения электрона с протоном протекает при их совместном переходе из среды с высокой температурой в среду с меньшей температурой или, проще говоря, при удалении от звезды. Сближение электрона с протоном идёт ступенчато. Количество пропускаемых ступеней в этом переходе зависит от градиента температуры среды, в которой движется родившийся атом водорода. Чем больше градиент температуры, тем больше ступеней может пропустить электрон, сближаясь с протоном.

Для уменьшения погрешностей измерений фонового излучения рабочий элемент прибора (болометр) охлаждают. Предел этого охлаждения определяет границу максимально возможной длины волны излучения, при которой можно измерить его интенсивность. Экспериментаторы отмечают, что им удалось вывести в космос приборы, болометр которых был охлажден до температуры . Длина волны фотонов, формирующих эту температуру, равна

.

На рис. 1 длина волны  соответствует точке N. Это – предел возможностей экспериментаторов измерять зависимость интенсивности излучения с большей длиной волны. В интервале от точки N до точки  у авторов нет экспериментальных данных (но они показали их), так как для их получения необходимо охлаждать болометры до температуры, меньшей 0,10К. Например, чтобы зафиксировать зависимость плотности излучения при длине волны  (рис. 1), необходимо охладить болометр до температуры

.

Для фиксации излучения при длине волны  (рис. 1) потребуется охлаждение болометра до температуры

.

В табл. 1 представлены длины волн и энергии фотонов, формирующих разную температуру среды.

Таблица 1. Длины волн и энергии фотонов, формирующих определённую температуру

Температура, / град. К	Длина волны фотонов	Энергия фотона, eV
2000/2273,16		0,973
1000/1273,16		0,545
100/373,16		0,160
10/283,16		0,121
1/274,16		0,117
0,0/273,16		0,117
-1/272,16		0,116
-10/263,16		0,113
-100/173,16		0,074
-200/73,16		0,031
-270/3,16		0,001
-272/1,16		0,0005
-273/0,16		0,00007
-273,06/0,10		0,00004
-273,10 /0,050		0,000024

Мы уже отметили, что экспериментально доказано существование минимальной температуры . В соответствии с законом Вина, длина волны фотонов, формирующих эту температуру, равна .

Из изложенной информации следует, что максимально возможная длина волны фотона близка к 0,05 м. Фотонов со значительно большей длиной волны в Природе не существует.

Экспериментальная часть зависимости в интервале DE (рис. 1) соответствует радиодиапазону. Она получается стандартными методами, но физическую суть этого излучения ещё предстоит уточнять.

Для установления максимально возможной длины волны фотона, соответствующей реликтовому излучению, найдём разность энергий связи электрона атома водорода, соответствующую 108-му и 107-му энергетическим уровням.

Длина волны фотонов с энергией  будет равна

Фотоны с такой длиной волны и энергией способны сформировать температуру

.

Величина этой температуры близка к её минимальному значению, полученному в лабораторных условиях . Это означает, что точка L на рис. 1 близка к пределу существующих возможностей измерения максимальной длины волны реликтового излучения.

Таким образом, можно утверждать, что в Природе нет фотонов для формирования температуры , чтобы зафиксировать плотность реликтового излучения при длине его волны более 0,056 м (рис. 1). Мы уже отмечали в прежних публикациях, что уточнение закономерности изменения плотности реликтового излучения с длиной волны более 0,05 м должно быть главной целью будущих экспериментов.

А теперь опишем статистический процесс формирования максимума реликтового излучения. Максимуму плотности реликтового излучения соответствует длина волны излучения, примерно, равная 0,001063 м (рис. 1, точка 3, А). Фотоны с такой длиной волны рождаются не только в момент встречи электрона с протоном, но и при последующих переходах электрона на более низкие энергетические уровни. Например, при переходе электрона со 108 энергетического уровня на 76 он излучит фотон с энергией

Длина волны этого фотона будет близка к длине волны максимума реликтового излучения

Фотон с аналогичной длиной волны излучится при переходе электрона, например, с 98 на 73 энергетический уровень.

При переходе электрона с 70 на 59 энергетический уровень излучится фотон с аналогичной длиной волны.

Приведем ещё один пример. Пусть электрон переходит с 49 на 45 энергетический уровень. Энергия фотона, который он излучит при этом, равна

Длина волны также близка к максимуму реликтового излучения (рис. 1, точка 3, А).

Мы описали статистику формирования закономерности реликтового излучения и его максимума и видим, что форма этого излучения не имеет никаких признаков «замороженности» после так называемой эпохи рекомбинации водорода, которую придумали астрофизики.

Пойдём дальше. Если электрон перейдёт со 105 энергетического уровня на 60 уровень, то он излучит фотон с энергией  и длиной волны , что соответствует интервалу между точками 1 и 2 на рис. 1. При переходе электрона с 15 энергетического уровня на 14 он излучит фотон с энергией  и длиной волны , что соответствует точке 1 на рис. 1, которая отстоит от соответствующей теоретической точки тонкой кривой на много порядков. Это вызывает серьёзные сомнения в корректности заключения о том, что формула Планка описывает всю форму экспериментальной зависимости реликтового излучения.

Поскольку от 15 до, примерно, 2 энергетического уровня количество уровней значительно меньше количества уровней от 108 до 15, то количество фотонов, излученных при переходе с 15 уровня и ниже будет значительно меньше количества (а значит и их плотность в пространстве) фотонов, излученных при переходе со 108 до 15 энергетического уровня. Это – главная причина существования максимума реликтового излучения (рис. 1, т. А) и уменьшения его интенсивности с уменьшением длины волны излучения. К этому следует добавить, что в момент перехода электрона с 15-го уровня и ниже излучаются фотоны светового диапазона. Например, при переходе электрона с 15-го на 2-ой энергетический уровень излучается фотон с энергией  и длиной волны, соответствующей световому диапазону

.

Естественно, что после формирования атомов водорода наступает фаза формирования молекул водорода, которая также должна иметь максимум излучения. Поиск этого максимума – наша следующая задача.

Известно, что атомарный водород переходит в молекулярный в интервале температур . Длины волн фотонов, излучаемых электронами атомов водорода при формировании его молекулы, будут изменяться в интервале

;

.

Таким образом, у нас есть основания полагать, что максимум излучения Вселенной, соответствующий точке С (рис. 1), формируется фотонами, излучаемыми электронами при синтезе молекул водорода.

Однако на этом не заканчиваются процессы фазовых переходов водорода. Его молекулы, удаляясь от звезд, проходят зону последовательного понижения температуры, минимальная величина которой равна Т=2,726 К. Из этого следует, что молекулы водорода проходят зону температур, при которой они сжижаются. Она известна и равна . Поэтому есть основания полагать, что должен существовать ещё один максимум излучения Вселенной, соответствующий этой температуре. Длина волны фотонов, формирующих этот максимум, равна

.

Этот результат почти полностью совпадает с максимумом в точке  на рис. 1.

Спектр фонового излучения Вселенной формируется процессами синтеза атомов и молекул водорода, а также – сжижения молекул водорода. Эти процессы идут непрерывно и не имеют никакого отношения к так называемому Большому взрыву.