12.3. Измерение температуры реликта в разные эпохи

Предсказание темпа изменения температуры реликтового излучения по мере расширения Вселенной (т. е. по мере роста масштабного фактора) является важным элементом космологической модели. Интересно, что оно может быть проверено, поскольку излучение взаимодействует с веществом, и мы можем наблюдать последствия этого.

Есть два основных метода, позволяющих измерить температуру реликтового излучения в разные эпохи: возбуждение атомных и молекулярных уровней и эффект Сюняева – Зельдовича.

Существуют две основные методики, благодаря которым мы можем измерить температуру реликтового фона на разных красных смещениях. Еще в 1940-е гг. было обнаружено, что молекулы CN в нашей Галактике находятся в возбужденном состоянии, как будто их «подсвечивает» излучение с температурой около 3 К. Это было первое свидетельство в пользу существования реликтового излучения, но тогда его «не узнали». Однако позднее, уже после 1965 г., астрономы сообразили, что реликтовое излучение должно возбуждать различные энергетические уровни в атомах и молекулах, и это можно наблюдать, причем не только в нашей непосредственной окрестности, но и на очень больших расстояниях.

В настоящее время, используя данные по наблюдениям излучения разных атомов и молекул (углерод, молекулярный водород, CO и др.), астрономы смогли проследить изменение температуры реликта на протяжении большей части истории Вселенной – начиная с первых миллиардов лет.

Измерения позволяют определить, как менялась температура реликта начиная с первых миллиардов лет.

Второй метод связан с эффектом Сюняева – Зельдовича. Фотоны реликтового излучения рассеиваются на электронах в горячем газе, находящемся в скоплениях галактик, и отбирают энергию у электронов (обратный эффект Комптона). В итоге в направлении на скопление будет наблюдаться небольшой, но вполне измеримый недостаток фотонов реликта с длиной волны более 2 мм и избыток фотонов с более короткими волнами. Поскольку мы можем определить свойства скопления, единственным неизвестным будет начальная температура поля фотонов, т. е. температура реликтового излучения, попадающего в скопления. Анализ позволяет определить ее с достаточной точностью, а сравнение данных измерений с предсказаниями теории показывает, что они находятся в согласии. Температура реликтового излучения растет в прошлое как T ~ (1 + z), и это является еще одним независимым аргументом в пользу современной модели расширяющейся Вселенной.