Main menu:

Процесс термализации фонового излучения

С качественной точки зрения спектр микроволнового фонового излучения должен отличаться от идеального распределения Планка так же, как спектр, измеренный Буди и Ричардсом.

Поскольку Вселенная была непрозрачной для звездного света сравнительно короткое время, было бы удивительно, если бы процесс термализации успел завершиться полностью во всем диапазоне длин волн, приведя к формированию идеального планковского спектра. Можно ли предсказать, как будет отличаться спектр не полностью термализованного излучения от кривой Планка?

Назовем излучательной способностью тела отношение мощности его излучения (при условии, что температура тела поддерживается неизменной) к мощности излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Излучательная способность реальных пылевых частиц меняется в зависимости от длины волны. Астрономические наблюдения в инфракрасном диапазоне показывают, что силикаты столь же широко распространены в межзвездном пространстве, как и на Земле, и можно смело предположить, что они входили в состав пылевых частиц, принимавших участие в термализации фонового излучения.

Если фоновое излучение было термализовано частицами пыли, то следует ожидать, что излучение в области указанных пиков будет более интенсивным, чем излучение той же плотности абсолютного черного тела, и менее интенсивным — на более длинных и более коротких волнах. Если спектр, полученный Вуди и Ричардсом, сместить в сторону коротких волн, увеличив все частоты в 100 раз, то можно видеть, как спектр должен был выглядеть в эпоху термализации. Тогда мы обнаружим, что измеренный (и смещенный в голубую область) спектр проходит выше кривой Планка как раз в той области, где это и должно быть согласно нашим рассуждениям. Он также опускается ниже кривой Планка в области коротких волн, как и предполагалось. Однако он не опускается ниже кривой Планка в длинноволновой области. Эта часть спектра, которая в современную эпоху простирается в интервале длин волн 0,5—50 см, — единственная область спектра, которая доступна для изучения с поверхности Земли. Как мы уже знаем, результаты произведенных в этом диапазоне измерений очень хорошо укладываются на кривую Планка.

Эдвард Л. Райт, работавший в Массачусетском технологическом институте и Калифонийском университете в ЛосАнджелесе, следуя совету Эдварда М. Парселла, нашел остроумное решение этой проблемы. На протяжении ряда лет Парселл утверждал, что игольчатые, волокнистые структуры межзвездных пылинок могли образоваться по тем же причинам, что и волокнистая структура паутины. (Паутина, как заметил Парселл, создается электростатическими силами, а не пауками.) Парселл указал, что сильно вытянутые пылинки должны служить эффективными «легкими антеннами в диапазоне миллиметровых волн»,— а именно это необходимо для термализации излучения, которое составляет ныне микроволновый участок спектра фонового излучения.

В 1981 г. Райт, завершив тщательное количественное исследование идеи Парселла, пришел к заключению, что совокупность графитовых игл, содержащих небольшую долю углерода, необходимого для их формирования, должна весьма эффективно термализовать излучение, которое ныне представляет собой микроволновый участок космического фона. Райт также привел теоретические и экспериментальные доводы в пользу того, что иглы с требуемыми свойствами не только могут образовываться при определенных физических условиях, но и на самом деле имеются в межзвездном пространстве.