A A A A Автор Тема: Реликтовое излучение. Особенности спектра.  (Прочитано 2004 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko

Спектр реликтового излучения (РИ), – микроволнового фонового излучения (М. ф. и.), – имеет характерное свойство:
«Свой вклад в искажение спектра в коротковолновой области вносит уже сам процесс рекомбинации»; «…рекомбинационное излучение, возникающее при образовании нейтральных атомов, должно было сильно исказить спектр М. ф. и. на волнах» с длиной волны около 250 мкм (http://www.astronet.ru/db/msg/1188450).

Спектр РИ тщательно измерен: «Спектрофотометр абсолютных измерений в далеком инфракрасном диапазоне (FIRAS) для измерения спектра РИ в диапазоне длин волн 100 мкм – 1 см с угловым разрешением 7 град., предназначенный для установления чернотельной природы спектра РИ»; «Данные FIRAS описывают ожидаемую чернотельную кривую с температурой Т = 2,726 К настолько точно, что ошибки измерений меньше толщины кривой» (http://ufn.ru/ru/articles/2007/12/d/).

Почему наблюдаемый спектр РИ не соответствует стандартной модели горячей Вселенной?

С уважением, Костырко Леонид Николаевич.

Оффлайн Хартиков Сергей

  • *****
  • Сообщений: 7 395
  • Благодарностей: 33
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Хартиков Сергей
     Я не понял, где Вы усмотрели противоречие?

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko
Речь идет о том, что рекомбинация водорода ведет к избытку коротковолновых фотонов по отношению к планковскому спектру. Рекомбинационное излучение, возникающее при образовании нейтральных атомов, должно было сильно исказить спектр РИ вблизи длины волны 250 мкм, а тщательные измерения РИ на предмет чернотельности этого излучения не выявили отклонений спектра от планковского.
« Последнее редактирование: 22 Июл 2008 [23:39:37] от Kostyrko »

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko

«Менее очевидно заметное искажение спектра излучения из-за рекомбинации в высокочастотной области hv/kT>30, что на сегодняшний день соответствует v>1,5*10^12 Гц, l<0,02 см. Интенсивность излучения возрастает в несколько раз по сравнению с планковской при Т=2,7 К.
… Нет большой надежды, что это предсказание теории будет проверено наблюдениями, потому что есть много источников фонового излучения с hv/kT>>1; главным образом это излучение ядер галактик и пыли (последнее является наиболее сильным в области l<300мкм). В этой же области много излучают квазары. Есть также и другие процессы, ведущие к искажению высокочастотной области спектра» [Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков. Строение и эволюция Вселенной, М.:1975, стр. 221].
Например, теоретические расчеты дают двукратный избыток коротковолновых фотонов по отношению к планковскому спектру на длине волны 200 мкм [там же, стр. 230, табл. VII].

Наблюдения спектра РИ на предмет его чернотельности показали отсутствие ожидаемых следов проявления рекомбинации водорода – в виновской области нет специфических искажений спектра. А ведь период рекомбинации – это один из ключевых моментов стандартной модели горячей Вселенной!

Оффлайн lapay

  • *****
  • Сообщений: 2 751
  • Благодарностей: 25
    • Сообщения от lapay
Чтобы этот факт чернотельности стал проблемой, надо доказать, что сразу после рекомбинации атома водора, взаимодействие излучения с веществом полностью прекратилось. Ведь и вещество и излучение охлаждается под действием постоянной Хаббла (только в разном темпе), поэтому рекомбинация происходит постепенно, и спектральный максимум успеет значительно размыться. Насколько именно и как хорошо теория совпадает с практикой - не знаю.

Оффлайн Хартиков Сергей

  • *****
  • Сообщений: 7 395
  • Благодарностей: 33
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Хартиков Сергей
     Цитата Kostyrko: "Наблюдения спектра РИ на предмет его чернотельности показали отсутствие ожидаемых следов проявления рекомбинации водорода – в виновской области нет специфических искажений спектра. А ведь период рекомбинации – это один из ключевых моментов стандартной модели горячей Вселенной!"

     Вы бы хоть оригинальные статьи прочитали, прежде чем озвучивать "проблему". Отчеты группы, работавшей с FIRAS, находятся по адресу http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/about_firas.cfm (внизу есть ссылки на несколько документов).
     Итак, прибор специально сконструирован для измерения отклонения спектра реликтового излучения от спектра эталонного "абсолютно черного тела". Диапазон: 1 см - 105 мкм. При помощи фильтров этот диапазон делится на два немного пересекающихся канала: "нижний" 1 см - 500 мкм и "верхний" 500 мкм - 105 мкм. В своей работе группа использовала лишь данные нижнего канала, причем спектр изучали только в диапазоне 5000 мкм - 500 мкм. Причина написана в статьях: неустранимая высокая погрешность в верхнем канале. Это связано с тем, что часть низкочастотного излучения отражалась от фильтра и попадала в верхний канал (у нижнего канала такой проблемы не было). Кроме того, самой сложной проблемой являлась калибровка - то есть научиться вычитать фон, создаваемый Галактикой. Для частотного диапазона верхнего канала фон Галактики значительно выше фона реликтового излучения.
     Теперь несколько чисел, которые можно найти на представленных графиках. Предупреждаю, что в статьях используется сразу 3 единицы измерения:

     1) эрг / (сек * см2 * стер * Гц)

     2) эрг / (сек * см2 * стер * см-1)   (здесь отличие в том, что частота измеряется не в Герцах, а в см-1)

     3) МЯн / стер   (мегаЯнский на стерадиан)

Для перевода 1) в 2) надо умножить на 3*1010. Для перевода 2) в 3) надо разделить на 3*10-7. Для перевода 1) в 3) надо умножить на 1017. Вот несколько приблизительных значений для закона Планка (T=2.726 K):

     λ=1870 мкм, W = 380 МЯн/стер (максимум)
     λ=500 мкм, W = 10 МЯн/стер (самая короткая длина волны FIRAS)
     λ=200 мкм, W = 10-5 МЯн/стер
     λ=150 мкм, W = 3*10-9 МЯн/стер

     Погрешность эксперимента (среднеквадратичное отклонение) составила (после всех уточнений) 50*10-6 от пикового значения, т.е. 50*10-6*380 = 0,019 МЯн/стер. Максимальное отклонение составило 50 КЯн/стер, т.е. 0.01% от пикового значения. Понятно, что все очень гордились этим и столь малое отклонение укладывалось в ширину линии на графике.
     Но теперь сравните это среднеквадратичное отклонение с величиной фона на λ=200 мкм: оно превышает фон в 2000 раз. Максимальное отклонение превышает фон в 5000 раз. На λ=150 мкм получаем превышение в 107 раз. Сравните это с ожидаемым отклонением от планковского спектра за счет линий рекомбинации: на λ=200 мкм всего в 2 раза, а на λ=200 мкм всего в 100 раз. Именно поэтому многие авторы (включая Зельдовича, Новикова и Вайнберга) высказывали сомнения в том, что когда-нибудь удастся обнаружить это предсказание теории.
     Так что не обнаружено никаких противоречий.

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko

Т. е., фраза «ошибки измерений меньше толщины кривой» не соответствует действительности для всего диапазона длин волн 100 мкм – 1 см, и сегодня все еще нельзя сказать с определенностью, есть ли заметные отклонения от планковской кривой на длине волны, скажем 200 мкм?

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko

 «Общий вопрос касается Lyman альфа фотонов, остающихся от последней рекомбинации каждого атома водорода. Существовало бы примерно по одному фотону на один атом водорода с длиной волны (1+z)*0,1216 мкм, где z ~ 1089, и удельной шириной лишь в несколько процентов … крайне маловероятно, что эти немногочисленные фотоны удастся обнаружить» (http://ufn.ru/ru/articles/2007/12/c/).
По определению «Рекомбинация (в газе, плазме) – процесс, обратный ионизации, состоит в захвате ионом свободного электрона» (http://www.astronet.ru/db/msg/1188629). Здесь же: «Электрон может рекомбинировать на любой незаполненный уровень энергии в атоме, молекуле, ионе»; и «Возбужденные атомы, образующиеся при рекомбинации, путем последующих переходов с одного уровня энергии на другой могут давать эмиссионный линейчатый спектр излучения».

Т. о., только часть энергии рекомбинации расходуется на излучение в линии Lyman альфа. Остальная часть этой энергии излучается в других линиях атома водорода. Например, линии 656,279 нм и 1875,11 нм, – в спектре РИ они должны оказаться на длинах волн 0,7 мм и 2 мм соответственно. Но для этих длин волн точность измерения спектра РИ близка к максимальной.

Почему в спектре РИ не наблюдаются никакие линии атомарного водорода?

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko

Наблюдаемое отсутствие эмиссионных линий атомов водорода в спектре РИ противоречит существованию периода рекомбинации, а потому противоречит стандартной модели горячей Вселенной?

Оффлайн Хартиков Сергей

  • *****
  • Сообщений: 7 395
  • Благодарностей: 33
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Хартиков Сергей
     Цитата Kostyrko: "Т. е., фраза «ошибки измерений меньше толщины кривой» не соответствует действительности для всего диапазона длин волн 100 мкм – 1 см... ?"

     Это было написано как комментарий к графику, на котором диапазон длин волн 5000 мкм - 500 мкм: для этого диапазона - соответствует.

     Цитата Kostyrko: "...и сегодня все еще нельзя сказать с определенностью, есть ли заметные отклонения от планковской кривой на длине волны, скажем 200 мкм?"

     И никогда нельзя будет сказать из-за общего фона.

     Цитата Kostyrko: "Т. о., только часть энергии рекомбинации расходуется на излучение в линии Lyman альфа. Остальная часть этой энергии излучается в других линиях атома водорода. Например, линии 656,279 нм и 1875,11 нм, – в спектре РИ они должны оказаться на длинах волн 0,7 мм и 2 мм соответственно. Но для этих длин волн точность измерения спектра РИ близка к максимальной. Почему в спектре РИ не наблюдаются никакие линии атомарного водорода?... Наблюдаемое отсутствие эмиссионных линий атомов водорода в спектре РИ противоречит существованию периода рекомбинации, а потому противоречит стандартной модели горячей Вселенной?"

     Вы делаете выводы, абсолютно не утруждаясь расчетами. Сколько там должно быть указанных фотонов, Вы прикинули?

Оффлайн KostyrkoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 3 769
  • Благодарностей: 89
    • Сообщения от Kostyrko

Представляется, что в процессе рекомбинации эмиссионные линии водорода (кроме линии Lyman альфа) будут слабее мощного фона РИ (на соответствующих частотах). Тогда возникает вопрос об энергетике РИ.

По оценкам Зельдовича (http://ufn.ru/ru/articles/1966/8/e/): «Температуре 3 К отвечает полная плотность реликтового излучения 0,6*10^(-12) эрг/см^3. Полная плотность излучения звезд и радиоисточников, усредненная по всему пространству, порядка 10^(-14) эрг/см^3, т. е. в 60 раз меньше. Принимая плотность вещества 10^(-29) г/см^3, получим, что реликтовое излучение в настоящее время составляет 6*10^16 эрг/г. Сама по себе эта величина невелика по сравнению с ядерной энергией горения водорода (~ 6,5*10^18 эрг/г до He-4 и 8*10^18 эрг/г до Fe-56). Однако нет такого механизма, при котором энергия ядерной реакции преобразовалась бы в спектр, соответствующий 3 К. Если же принять, что энергия выделялась в звездах с температурой поверхности хотя бы 3000 К, а падение до 3 К произошло в ходе расширения, то потребуется уже в 1000 раз больше энергии – 6*10^19 эрг/г, что в 10 раз больше всего запаса ядерной энергии».

Каким же образом в стандартной модели горячей Вселенной могло образоваться РИ с планковским спектром и такой энергетикой?