Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности - Вейнберг С.
Скачать (прямая ссылка):
Наблюдаемые распределения фона излучения по частоте и углу определенно указывают на то, что изотропное излучение черного тела осталось от раннего периода, когда вещество и излучение были в тепловом равновесии. Однако имеющиеся данные пока еще не исключают и других возможностей. Плотность энергии света звезд в пределах Галактики порядка 5-Ю"13 эрг/см3т т. е. того же порядка, что и плотность энергии излучения черного тела при 2,7 К. По этой причине Хойл, Нарликар и Викрамсингх [162—164] высказали мысль, что большая доля света звезд на оптических частотах нашей и других галактик может поглощаться пылинками в межзвездном пространстве, которые нагреваются до нескольких градусов и снова излучают энергию на микроволновых частотах в виде непрерывного спектра или отдельных линий. Нельзя исключить полностью, что вновь испущенное излучение будет изотропным и имитирует спектр Плапка, но такое допущение выглядит искусственным. Другая широко обсуждавшаяся возможность состоит в том, что микроволновый фон может возникнуть от большого числа дискретных источников [165—167]. И в этом случае нельзя считать невозможным совпадение с план-ковским спектром в достаточно широкой полосе частот, но нет никаких особых причин ожидать этого. Кроме того, в этом случае наблюдаемая изотропия будет накладывать жесткие ограничения на любую теорию дискретных источников. Например, если микроволновый фон излучается источниками, расположенными на среднем расстоянии порядка H'1, то следует ожидать большой анизо-
!) Изотропия фридмановской Вселенной могла возникнуть в тот начальный нериод расширения, когда были значительны квантовые процессы рождения частиц в сильном нестационарном «космологическом» гравитационном поле. По грубым полуколичественным оценкам [338], эти процессы способны быстро изотропизовать любой анизотропный «большой взрыв».— Прим. перев.
36* ¦564
Гл. 15. Космология; эталонная модель
тропии в масштабе угла 9, удовлетворяющего условию, чтобы на объем Н0~392 приходился примерно один источник, т. е. при
H0-3Q4~S «1, (15.5.40)
где d — среднее расстояние между источниками. Ограничение 9 < 1", вытекающее из табл. 15.2, приводит, таким образом, к верхнему пределу для d, а именно d < 1 Мне, что примерно равно среднему расстоянию между галактиками. Детальный анализ [152, 168] данных в рамках конкретных моделей дает плотность источников даже большую, чем плотность числа галактик, что, по-видимому, исключает такие теории.
Наиболее интересные явления, связанные с космическим фоном излучения, имели место в ранние периоды, когда температура была много выше, чем сейчас. Эти явления будут предметом обсуждения следующих шести параграфов. Однако есть несколько эффектов, связанных с фоновым излучением, которые могут представить интерес даже в настоящее время.
А. Релятивистский электрон с энергией уете будет испытывать обратное комптоновское рассеяние на микроволновых фотонах с излучением фотонов отдачи со средней энергией [169]
Е = 3,6уЛТу0 = 8,4- 10"VэВ (?)- (15.5.41)
Хойл [170] высказал предположение о том, что обратное комптоновское рассеяние электронов космических лучей в Галактике ответственно за диффузный фон [33] космических рентгеновских лучей. Однако Гулд [171] указал, что интенсивность, получающаяся при таком механизме, в несколько сот раз меньше, чем наблюдаемый рентгеновский фон. Вскоре после этого Фелтон [172] показал, что обратное комптоновское рассеяние электронов космических лучей в межгалактическом пространстве могло бы создать рентгеновское излучение наблюдаемой интенсивности. Эта модель получила поддержку в замечании Бречера и Морисона [173, 174], которое сводится к тому, что наблюдаемый излом В спектре электронов космических лучей при уе A! 7 -IO3 приводит, согласно (15.5.41), к излому в спектре диффузного рентгеновского фона при 40 кэВ как раз там, где этот излом действительно наблюдается [33]. Однако совсем недавние вычисления, обсуждавшиеся в предыдущем параграфе, указывают на то, что этот излом обязан своим происхождением тепловому тормозному излучению в горячем межгалактическом водороде, а обратное комптоновское излучение становится важным лишь ниже 1 кэВ. Пробег электронов высокой энергии в 2,7-градусном фоне резко спадает при уе > IO4. Поэтому если электроны космических лучей действительно приходят к нам сквозь межгалактическое § 5. Космический фон микроволнового излучения
565
пространство, то наблюдаемый энергетический спектр электронов должен резко обрываться при энергиях свыше 10 ГэВ.
Б. Из наблюдений [175] следует, что весьма мощная радиогалактика Центавр А испускает рентгеновские лучи в области 1—10 кэВ с общей МОЩНОСТЬЮ L/X — (И ± 4) -IO40 эрг/с Оценки (см. [34]) с использованием теории синхротронного излучения для учета наблюдаемого потока радиоизлучения показали, что Центавр А содержит 1,7-IO69 эрг в виде электронов космических лучей в среднем с уе «2,5-IO3. Обратное комптоновское рассеяние этих электронов на 2,7-градусном фоне порождает рентгеновские лучи, средняя энергия которых, согласно (15.5.41), равна 5 кэВ, а полная мощность Lx «5-Ю40 эрг/с, что согласуется с наблюдаемым значением. Наиболее важным свойством этого результата является то, что предсказываемая величина мощности рентгеновского излучения исключительно чувствительна к значению потока фонового излучения на коротких длинах волн.
