Zdjęcie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, wykonane przez satelitę Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w 2013 r., Pokazuje niewielkie różnice na niebie
(Zdjęcie: © ESA / Planck Collaboration)
Kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) uważa się za pozostałości promieniowania z Wielkiego Wybuchu lub z czasów, gdy wszechświat się rozpoczął. Zgodnie z teorią, kiedy wszechświat się narodził, przeszedł gwałtowny wzrost inflacji i ekspansji. (Wszechświat wciąż się rozszerza, a tempo ekspansji wydaje się różne w zależności od tego, gdzie spojrzysz). CMB reprezentuje ciepło pozostałe po Wielkim Wybuchu.
Nie widzisz CMB gołym okiem, ale jest ono wszędzie we wszechświecie. Jest niewidoczny dla ludzi, ponieważ jest tak zimno, zaledwie 2,725 stopnia powyżej absolutnego zera (minus 459,67 stopni Fahrenheita lub minus 273,15 stopni Celsjusza.) Oznacza to, że jego promieniowanie jest najbardziej widoczne w mikrofalowej części spektrum elektromagnetycznego.
Geneza i odkrycie
Wszechświat rozpoczął się 13,8 miliarda lat temu, a CMB sięga około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu. Dzieje się tak, ponieważ we wczesnych stadiach wszechświata, kiedy był on zaledwie stu milionowy w stosunku do dzisiejszego rozmiaru, jego temperatura była ekstremalna: 273 miliony stopni powyżej zero absolutne, według NASA.
Wszelkie atomy obecne w tym czasie zostały szybko rozbite na małe cząstki (protony i elektrony). Promieniowanie z CMB w fotonach (cząstki reprezentujące kwanty światła lub inne promieniowanie) zostało rozproszone z elektronów. „W ten sposób fotony wędrowały przez wczesny wszechświat, tak jak światło optyczne wędruje przez gęstą mgłę” - napisał NASA.
Około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był wystarczająco chłodny, aby mógł tworzyć się wodór. Ponieważ na fotony CMB prawie nie ma wpływu uderzenie wodoru, fotony poruszają się w liniach prostych. Kosmolodzy odnoszą się do „powierzchni ostatniego rozproszenia”, kiedy ostatnie fotony CMB uderzyły w materię; potem wszechświat był zbyt duży. Kiedy mapujemy CMB, patrzymy wstecz w czasie do 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, tuż po tym, jak wszechświat był nieprzejrzysty dla promieniowania.
Amerykański kosmolog Ralph Apher po raz pierwszy przewidział CMB w 1948 r., Kiedy pracował z Robertem Hermanem i Georgem Gamow, według NASA. Zespół prowadził badania związane z nukleosyntezą Wielkiego Wybuchu lub produkcją pierwiastków we wszechświecie oprócz najlżejszego izotopu (typu) wodoru. Ten rodzaj wodoru powstał bardzo wcześnie w historii wszechświata.
Ale CMB po raz pierwszy znaleziono przypadkowo. W 1965 r. Dwóch badaczy z Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias i Robert Wilson) tworzyło odbiornik radiowy i byli zaskoczeni hałasem, który zbierał. Wkrótce zdali sobie sprawę, że hałas dochodził jednolicie z całego nieba. W tym samym czasie zespół z Princeton University (kierowany przez Roberta Dicke) próbował znaleźć CMB. Zespół Dicke'a dowiedział się o eksperymencie Bella i zdał sobie sprawę, że CMB zostało znalezione.
Oba zespoły szybko opublikowały artykuły w Astrophysical Journal w 1965 r., A Penzias i Wilson rozmawiali o tym, co zobaczyli, a zespół Dicke'a wyjaśniał, co to znaczy w kontekście wszechświata. (Później Penzias i Wilson otrzymali Nagrodę Nobla z 1978 roku w dziedzinie fizyki).
Studiowanie bardziej szczegółowo
CMB jest przydatny dla naukowców, ponieważ pomaga nam dowiedzieć się, jak powstał wczesny wszechświat. Jest w jednolitej temperaturze z niewielkimi wahaniami widocznymi za pomocą precyzyjnych teleskopów. „Studiując te fluktuacje, kosmolodzy mogą dowiedzieć się o pochodzeniu galaktyk i strukturach galaktyk na dużą skalę oraz mogą zmierzyć podstawowe parametry teorii Wielkiego Wybuchu” - napisał NASA.
Podczas gdy części CMB zostały zmapowane w kolejnych dziesięcioleciach po jego odkryciu, pierwsza kosmiczna mapa pełnego nieba pochodzi z misji NASA Cosmic Background Explorer (COBE), która rozpoczęła się w 1989 r., A zaprzestała działalności naukowej w 1993 r. Ten „obraz dziecka” ”Wszechświata, jak to nazywa NASA, potwierdziło przewidywania teorii Wielkiego Wybuchu, a także pokazało ślady kosmicznej struktury, których nie widziano wcześniej. W 2006 r. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana naukowcom z COBE, Johnowi Matherowi z NASA Goddard Space Flight Center i George'owi Smootowi z University of California, Berkeley.
Bardziej szczegółowa mapa pojawiła się w 2003 r. Dzięki uprzejmości Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), która została uruchomiona w czerwcu 2001 r. I przestała gromadzić dane naukowe w 2010 r. Pierwsze zdjęcie określiło wiek wszechświata na 13,7 miliarda lat (pomiar od tego czasu poprawiony do 13,8 miliarda lat), a także ujawnił niespodziankę: najstarsze gwiazdy zaczęły świecić około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu, znacznie wcześniej niż przewidywano.
Naukowcy śledzili te wyniki, badając bardzo wczesne etapy inflacji wszechświata (w bilionach sekund po uformowaniu) i podając bardziej precyzyjne parametry dotyczące gęstości atomu, bryły wszechświata i innych właściwości wszechświata krótko po jego utworzeniu. Zauważyli także dziwną asymetrię średnich temperatur na obu półkulach nieba oraz „zimny punkt”, który był większy niż oczekiwano. Zespół WMAP otrzymał za swoją pracę przełomową nagrodę w dziedzinie fizyki fundamentalnej 2018.
W 2013 r. Opublikowano dane z teleskopu kosmicznego Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, pokazujące jak dotąd najwyższą precyzję obrazu CMB. Naukowcy odkryli kolejną tajemnicę z tymi informacjami: fluktuacje w CMB w dużych skalach kątowych nie pasowały do prognoz. Planck potwierdził także to, co widział WMAP pod względem asymetrii i zimnego punktu. Ostateczne wydanie danych Plancka w 2018 r. (Misja operowana w latach 2009–2013) pokazało więcej dowodów na to, że ciemna materia i ciemna energia - tajemnicze siły, które prawdopodobnie stoją za przyspieszeniem wszechświata - wydają się istnieć.
Inne wysiłki badawcze próbowały spojrzeć na różne aspekty CMB. Jednym z nich jest określenie rodzajów polaryzacji zwanych modami E (odkrytymi w oparciu o Antarktydę interferometrem skali kątowej w 2002 r.) I modami B. Tryby B można wytwarzać z soczewkowania grawitacyjnego trybów E. W 2014 r. Stwierdzono, że instrument BICEP2 z Antarktyki znalazł fale B grawitacji, ale dalsze obserwacje (w tym praca z Plancka) wykazały, że te wyniki były spowodowane pyłem kosmicznym.
Od połowy 2018 r. Naukowcy wciąż szukają sygnału, który pokazywał krótki okres szybkiej ekspansji wszechświata wkrótce po Wielkim Wybuchu. W tym czasie wszechświat stawał się większy w tempie szybszym niż prędkość światła. Jeśli tak się stanie, badacze podejrzewają, że powinno to być widoczne w CMB poprzez pewną formę polaryzacji. Badanie przeprowadzone w tym roku sugerowało, że blask z nanodiamentów tworzy słabe, ale dostrzegalne światło, które zakłóca obserwacje kosmiczne. Teraz, gdy uwzględniono ten blask, przyszłe badania mogłyby go usunąć, aby lepiej szukać słabej polaryzacji w CMB, stwierdzili wówczas autorzy badania.
Dodatkowe zasoby
- NASA: Testy Big Bang: CMB
