Main menu:

Микроволновое фоновое излучение

Если фотонов, из которых состоит фоновое излучение, не было в самом начале космического расширения, то они должны были появиться позднее в результате обычных физических процессов. Среди известных процессов, которые могли бы породить фоновое излучение, наиболее подходящим представляется происходящее в недрах звезд превращение водорода в гелий. При термоядерном «сгорании» 1 г водорода возникает излучение, эквивалентное 0,007 г массы. Не может ли микроволновое фоновое излучение возникнуть из света звезд?

Действительно, плотность энергии звездного света в межзвездном пространстве в нынешнюю эпоху сравнима с плотностью энергии микроволнового фона (порядка 5×10-13 эрг/см3). Но в качественном отношении свет звезд радикально отличается от микроволнового фона. Свет звезд состоит из фотонов, излученных с поверхности звезд, температура которых меняется от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч градусов. Длины волн, соответствующие этим фотонам, лежат преимущественно в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра, тогда как длины волн, соответствующие фотонам микроволнового фонового излучения, в тысячи раз больше.

Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна длине волны, а плотность энергии звездного света и фонового излучения примерно одинаковы, получается, что плотность числа фотонов микроволнового излучения в межзвездном пространстве в тысячи раз превосходит плотность числа фотонов звездного света. Таким образом, теория, в которой возможным источником фонового излучения считаются звезды, должна объяснить не только наблюдаемую поверхность энергии излучения, но и его спектр. Иными словами, она должна объяснить, как произошла термализация, т. е. преобразование разреженного звездного света в тепловое излучение.

А как вообще происходит термализация? Вообразите замкнутую полость с идеально отражающими стенками, заполненную разреженным звездным светом. Если внутри полости нет вещества, то спектр излучения никогда не изменится: отражаясь от стенок, фотоны будут изменять направление движения, но не потеряют и не приобретут энергии. Поэтому число фотонов в пределах данного диапазона частот со временем не изменится. Однако наличие в полости хотя бы одной-единственной крохотной пылинки резко изменит ситуацию: эта пылинка будет заимствовать энергию у поля излучения в «крупных купюрах» (их роль играют фотоны звездного света) и разменивать их на «мелочь» (фотоны с гораздо большей длиной волны). После того как фотоны многократно пройдут через эту процедуру обмена, от первоначального спектра не останется и следа. Излучение превратится в тепловое с температурой, зависящей от исходной плотности энергии, которая не меняется в процессе термализации.

Если бы Вселенная была заполнена разреженным светом звезд и не расширялась, мог бы происходить такой же процесс. Фотоны поглощались и переизлучались бы до тех пор, пока их распределение по энергиям не стало бы равновесным, т. е. соответствующим тепловому излучению. Но в реальной, расширяющейся Вселенной термализация не является неизбежным и тем более типичным исходом. Так, излучение, испускаемое ныне звездами нашей и других галактик, не термализуется никогда. Межгалактическое пространство в современную эпоху Настолько прозрачно, что большинство излучаемых сейчас фотонов никогда не поглотится веществом. Звездный свет мог термализоваться только в гораздо более ранние эпохи, когда Вселенная была непрозрачной для излучения.

Совершенно очевидно, что в ту эпоху средняя плотность вещества во Вселенной во много раз превосходила современную величину. Но во сколько именно? Ответ зависит от того, в какой форме вещество присутствовало тогда во Вселенной. Наиболее эффективно звездный свет «перерабатывают» в тепловое излучение пылинки, размер которых сравним с длиной волны термализуемых фотонов.