О реликтовом излучении Текст научной статьи по специальности «Физика»

2004 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. Сер. 4. Вып. 4

КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 523.874:621.371

Ю. П. Вербин, Г. Н. Крылов О РЕЛИКТОВОМ ИЗЛУЧЕНИИ

Введение. Представление о стационарности Вселенной основываемся на результатах предыдущей работы авторов [1], в которой приводились примеры красного смещения спектров, никак не связанные с релятивистским эффектом Доплера; красное смещение спектральных линий далеких звездных систем объяснялось энергетическими потерями при взаимодействии фотонов с частицами космического вакуума в масштабе миллионов световых лет - мульти-дифракцией квазимонохроматических световых импульсов на частицах космического вакуума. Если допустить, что «реликтовое излучение» доходит до нас из «запредельных» областей Вселенной, удаленных от нашей Галактики на миллиарды световых лет, то спектр излучения (его максимум) мог бы сместиться в диапазон радиоволн (сантиметровых и миллиметровых), но это всего лишь предположение, выходящее за границы «доверительного интервала».

Наземные радиоастрономические наблюдения содержат «купюры», обусловленные резонансным поглощением электромагнитных волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов в парах воды и кислороде, а также затуханием радиоволн-в гидрометеорах. У космического радиоизлучения есть существенная нетепловая составляющая, которая имеет синхротронную природу и не подчиняется закону теплового излучения Кирхгофа-Планка. В силу этих причин оценки температуры космического радиоизлучения не могут быть правдоподобными. Так называемое реликтовое излучение скорее всего синхротронного происхождения и не связано с эволюцией Вселенной.

1. «Реликтовое излучение - фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Наблюдается на волнах от нескольких мм до десятков см, практически изотропно. Происхождение Р.и. связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность излучения (горячая Вселенная)» [2, с. 1009].

Отвергая все, что не поддается корректной экспериментальной проверке, поясним, причем здесь спектр абсолютно черного тела. Еще в 1859 г. Кирхгоф, исследуя Проблему теплового излучения, утверждал, что отношение лучеиспускательной способности к поглощатель-ной способности А„,т любого «непрозрачного» тела есть некоторая универсальная функция £|/,г. Уточним: Е„,т - спектральная плотность энергетической светимости, = Е(и, Т); А„,т ~ спектральная плотность поглощательной способности, А„,г = А(и,Т)-, еи,т = Т). Величина Е(и, Т) численно равна поверхностной плотности мощности теплового излучения тела в интервале частот единичной ширины:

' . V

где дШ - энергия теплового излучения с единицы площади поверхности за единицу времени в Интервале частот от и до и + <1и; в системе СИ Е{у,Т) измеряется в джоулях на 1 м2; А{у,Т) показывает, какая доля энергии <НУ, доставляемая за единицу времени на единицу площади

© Ю. П. Вербин, Г. Н. Крылов, 2004

поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от V до V + ¿1/, поглощается телом. Очевидно, что А(и,Т) - величина безразмерная, а е[у,Т) имеет размерность джоуль на 1 м2. В соответствии с законом Кирхгофа, для произвольной частоты и температуры отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно лучеиспускательной способности е(и,Т) абсолютно черного тела. Напомним, что Е(и,Т) и А(]/,Т) зависят не только от частоты и абсолютной температуры тела, но и от его материала, формы и состояния его поверхности.

Интегральная излучательная способность (энергетическая светимость) тела

оо - '•

Е(Т) = I А{и,Т)е{и,Т)й», 'Е{Т) = ае(Т), о

где а - степень «черноты» тела (0 < а < 1), для абсолютно черного тела а = 1. Так как для абсолютно черного тела (тела, поглощающего всю падающую на него энергию независимо от длины волны и температуры) А(и,Т) = 1, то в этом случае

оо

Е(*,Т) = е(и,Т), Е(Т) = I е(и,Т)(1и. (1)

- . 0

Итак:

1) универсальная функция Кирхгофа е(и, Т) есть не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости черного тела (см., например, [3]);

2) для произвольной частоты и температуры отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно лучеиспускательной способности е{и,Т) абсолютно черного тела, являющейся функцией только частоты и температуры [4]; *

3) закон Кирхгофа относится только к тепловому излучению, являясь настолько характерным для него, что может служить надежным критерием для определения природы излучения; излучение, которое закону Кирхгофа не подчиняется, не тепловое (см., например [3], курсив наш. - Ю. В., Г. К.). Правило 3) заимствовано нами из учебной литературы, но никто не объясняет, как его применить. Не в состоянии сделать это и мы. Задача некорректна в тем большей степени, чем уже заданный частотный интервал.

Вернемся к функции Кирхгофа. Пропуская историю законов Стефана-Больцмана, Вина, Релея-Джинса, напомним, что окончательное аналитическое выражение для нее удалось получить только спустя 40 лет. Это сделал Планк в 1900 г.:

_ ~£(1/'Г)= с* ехр[М№]-1; (2}

Здесь Н - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана. Формула (2) хорошо согласуется с экспериментальными данными о распределении энергии в спектрах излучения черного тела во всем интервале частот и температур.

Остается выяснить, какое отношение имеет все изложенное к предмету нашей статьи. А вот какое: Космос, несомненно, является абсолютно черным «телом», и если бы так называемое реликтовое излучение действительно было бы тепловым, то, располагая его спектральной характеристикой, мы могли бы оценить его температуру. Подчеркиваем: температура «реликтового излучения» 3-4 К получена в предположении, что оно является тепловым, но . насколько справедливо последнее? Кстати, к практически черным телам можно отнести и Солнце, и любое «скопление» звезд. Никаких сомнений в природе излучения не возникает, если игнорировать наличие межзвездных магнитных полей.

2. Теперь обратимся непосредственно к предмету данной статьи. Начнем с того, что экстраординарные открытия ученых, представляющих этнос (или суперэтнос), находящийся в фазе поздней обскурации, близкой к гомеостазу, нужно принимать крайне осторожно.

Это уже вопрос новой естественной науки - этнологии [5]. Вот характерный пример: «В последнее время найдены экспериментальные доказательства пребывания Вселенной в на, чальном сверхплотном и горячем состоянии. Речь идет об открытом в 1965 г. американскими ученными А. Пензиасом и Р. Вильсоном реликтовом излучении. В начальном состоянии . Вселенная представляла сгусток плазмы и электромагнитного излучения одной й той же температуры... Расчеты (?) показывают, что за время существования Вселенной температура излучения должна была снизиться до 3-4 К (вопрос и курсив наши. - Ю. В., Г. К.). Рассеянное фоновое излучение именно с такой температурой и обнаружили американские ученые. В полном смысле этого слова оно является свидетелем начального состояния Вселенной. Это свет, оторванный от звезд!» [6, с. 147].

Панегирик нуждается в трезвой оценке. Во-первых, следовало бы объяснить, причем здесь свет, если речь идет о длинах волн от миллиметров до десятков сантиметров (а это уже радиоволны). У нас есть не фантастическое, а вполне естественное объяснение. Во-вторых, температуру можно оценить только по спектру (см. формулы (1) и (2)), но экспериментальные данные заключены в весьма ограниченном интервале частот. Никаких других исходных данных, пригодных для оценки температуры, нет. В отличие от [1] теперь речь может идти о расстояниях не в миллионы, а в миллиарды световых лет. Но это всего лишь гипотеза, не имеющая достаточной научной основы. «Чернота» далеких (запредельных) областей Вселенной связана с естественным условием излучения, без учета которого невозможно решение-никаких волновых уравнений. А теперь о главном.

У любого космического радиоизлучения есть нетепловая составляющая, в процентном отношении весьма существенная. Она не подчиняется закону (2) и имеет магнитотормозную (синхротронную) природу, связанную с ускорением релятивистских электронов в слабых межзвездных магнитных полях [7]. Кроме того, непосредственное использование соотношения (2) (или его модификаций) невозможно, если радиоастрономические наблюдения выполнены в атмосфере Земли. Картина будет искаженной из-за резонансного поглощения электромагнитных волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов в парах воды и кислороде и затухания радиоволн в гидрометеорах [8, 9]. Насколько существенна вторая причина, довелось оценить Ю. Вербину в 1959 г. при выборе частотных каналов для спутниковых радионавигационных систем. Само собой разумеется, что выбор был сделан с учетом галактических и земных радиошумов в полосе приемного устройства и других не менее существенных факторов (вращения плоскости поляризации, группового запаздывания, рефракции и тп.).

Сопоставляя все известные факты, мы пришли к выводу, что так называемое реликтовое излучение скорее всего синхротронного происхождения. Кстати, известные всплески радиоизлучения Солнца, наблюдаемые в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн и часто являющиеся предвестниками солнечных протонных событий, тоже имеют синхротронную природу [10, 11].

Заключение. Мы убеждены в том, что Вселенная стационарна. Красное смещение спектральных линий далеких звездных систем объясняется энергетическими потерями при взаимодействии фотонов с частицами космического вакуума в масштабе миллионов световых лет -мультидифракцией квазимонохроматических световых импульсов на частицах космического вакуума. Можно предположить, что «реликтовое излучение» есть не что иное, как излучение, дошедшее до нас из запредельных областей Вселенной, т.е. речь теперь идет о расстояниях не в миллионы световых лет [1], а в миллиарды (ультракрасное смещение спектра). Но такое предположение слишком фантастично. Проще допустить, что мы имеем дело с обыкновенным галактическим шумом, дополненным вкладом магнитосферы Земли.

Наземные радиоастрономические наблюдения в миллиметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн содержат «купюры», обусловленные наличием полос поглощения электромагнитных волн в парах воды и кислороде, а также затуханием радиоволн в гидрометеорах [8, 9]. Кроме того, у любого космического радиоизлучения есть существенная нетепловая составляющая, вызванная ускорением релятивистских электронов в межзвездных магнитных полях [7]. В силу этих причин оценка температуры космического радиоизлучения, основанная на

использовании принципов максимального правдоподобия с опорой на известный фундаментальный закон теплового излучения Кирхгофа-Планка, не может быть правдоподобной. Так называемое реликтовое излучение скорее всего имеет синхротронную природу, не связано с эволюцией Вселенной и является «холодным» по определению. Предполагаемый реликт подобен флагу, развевающемуся под действием ветра на поверхности Луны.

В качестве послесловия приведем цитаты из монографии В. Л. Гинзбурга [7, с. 493]: «Космическое радиоизлучение, если не говорить об излучении Солнца, планет и комет," генерируется в межзвездном пространстве, в отдельных галактических и внегалактических туманностях, также в межгалактическом пространстве. Некоторая доля этого излучения носит тепловой характер, но основная его часть имеет неравновесное происхождение и образуется при ускорении входящих в состав космических лучей релятивистских электронов в слабых магнитных полях. Кроме того, наблюдается монохроматическое космическое радиоизлучение нейтрального водорода (А = 21 см...)», а также из учебника В. А. Воронцова-Вельяминова [12, с. 116]: «Магнитное поле Галактики тормозит быстрые электроны и это вызывает нетепловое (синх-ротронное) радиоизлучение ... Оно приходит к нам со всех сторон» (курсив наш. - Ю.В., Г. %.).

Summary

Verbin Yu. P., Krylov G. N. On relict radiation.

The problem on a background cosmic radio-frequency radiation - the so-called «Relict radiation» - is discussed again. The cosmic radio-frequency radiation is generated mainly in accelerating relativistic electrons, which are a part of the cosmic rays, in weak interstellar magnetic fields. That's because the fundamental Kirchhoff-Planck law on the thermal radiatibn is inapplicable to estimate of the cosmic radio frequency radiation temperature. The source of the so-called «Relict radiation» appears mainly to be the Galaxy, not in the least the «extra-boundary» regions of the Universe. It's that explains its isotropy. Thus the relict radiation is most probably of the synchrotron origin therefore it isn't related to the Universe evolution and appears to be «cold» by definition.

Литература

1. Вербин Ю. П., Крылов Г. Н. Распространение электромагнитных импульсов в диспергирующих средах и эффект Хаббла // Регион. VIII конференция по распространению радиоволн: Тез. докл. С.-Петербург, 29-30 октября 2002 г. СПб., 2002. С. 19. 2. Большой энциклопедический словарь. 2-е изд., перераб. и доп. СПб., 1998. 3. Трофимова Т. И. Курс физики. 7-е изд., стереотип. М., 2002. 4. Яворский В. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. 7-е изд., испр. М., 1977. 5. Гумилев Л. Н. Этногенез и биосфера Земли. Л., 1990. 6. Спиридонов О. П. Фундаментальные физические постоянные. М., 1991. 7. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М., 1960. 8. Введенский Б. А. Распространение ультракоротких радиоволн: Сб. статей. М., 1973. С. 368-396. 9. Введенский Б. А,, Соколов А. В. // Радиотехника и электроника. 1957. Т. 2, вып. 11. С. 1375-1389. 10. Эл-лисон М. А. Солнце и его влияние на Землю. Введение в исследование проблемы Земля -Солнце / Пер. с англ.; Под ред. И! С. Шкловского. М., 1959! 11. Вербин Ю. П., Крылов Г. Н. // Экология космоса (материалы научных семинаров). СПб., 2002. С. 69-76. 12. Воронцов-Вельяминов Б. А. Астрономия. М., 1976.

Статья поступила в редакцию 10 марта 2004 г.