CO TO JEST KOSMICZNE TŁO MIKROFALOWE?

Send

Od tysięcy lat ludzie kontemplują Wszechświat i starają się ustalić jego prawdziwy zasięg. W XX wieku naukowcy zaczęli rozumieć, jak ogromny (a może nawet niekończący się) jest wszechświat.

W trakcie patrzenia dalej w kosmos i głębiej w czasie kosmolodzy odkryli naprawdę niesamowite rzeczy. Na przykład w latach 60. astronomowie dowiedzieli się o mikrofalowym promieniowaniu tła wykrywalnym we wszystkich kierunkach. Znane jako kosmiczne tło mikrofalowe (CMB), istnienie tego promieniowania pomogło nam zrozumieć, w jaki sposób powstał wszechświat.

Opis:

CMB jest zasadniczo promieniowaniem elektromagnetycznym pozostałym po najwcześniejszej epoce kosmologicznej, która przenika cały Wszechświat. Uważa się, że powstał około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu i zawiera subtelne wskazówki dotyczące powstawania pierwszych gwiazd i galaktyk. Podczas gdy promieniowanie to jest niewidoczne za pomocą teleskopów optycznych, radioteleskopy są w stanie wykryć słaby sygnał (lub blask), który jest najsilniejszy w obszarze mikrofalowym widma radiowego.

CMB jest widoczna w odległości 13,8 miliarda lat świetlnych we wszystkich kierunkach od Ziemi, co prowadzi naukowców do ustalenia, że jest to prawdziwy wiek Wszechświata. Nie oznacza to jednak prawdziwego zasięgu Wszechświata. Biorąc pod uwagę, że przestrzeń kosmiczna rozwija się od wczesnego Wszechświata (i rozwija się szybciej niż prędkość światła), CMB jest jedynie najdalszym cofnięciem się w czasie, jaki jesteśmy w stanie zobaczyć.

Związek z Wielkim Wybuchem:

CMB ma zasadnicze znaczenie dla teorii Wielkiego Wybuchu i współczesnych modeli kosmologicznych (takich jak model Lambda-CDM). Zgodnie z teorią, gdy wszechświat narodził się 13,8 miliarda lat temu, cała materia została skondensowana w jednym punkcie o nieskończonej gęstości i ekstremalnym cieple. Ze względu na ekstremalne ciepło i gęstość materii stan Wszechświata był bardzo niestabilny. Nagle ten punkt zaczął się rozszerzać i wszechświat, jaki znamy, zaczął.

W tym czasie przestrzeń wypełniona była jednolitym blaskiem rozgrzanych do białości cząstek plazmy - które składały się z protonów, neutronów, elektronów i fotonów (światło). Od 380 000 do 150 milionów lat po Wielkim Wybuchu fotony nieustannie oddziaływały z wolnymi elektronami i nie mogły pokonywać dużych odległości. Dlatego ta epoka jest potocznie nazywana „ciemnymi wiekami”.

W miarę rozszerzania się Wszechświata ochłodził się do punktu, w którym elektrony mogły łączyć się z protonami, tworząc atomy wodoru (zwane także okresem rekombinacji). Przy braku wolnych elektronów fotony mogły poruszać się bez przeszkód we Wszechświecie i zaczęły się pojawiać tak jak dzisiaj (tj. Przezroczyste i przenikane światłem). W ciągu miliardów lat Wszechświat nadal się rozszerzał i znacznie się ochładzał.

Z powodu rozszerzania się przestrzeni długości fal fotonów wzrosły (stały się „przesunięte na czerwono”) do około 1 milimetra, a ich efektywna temperatura spadła do nieco powyżej zera absolutnego - 2,7 Kelvina (-270 ° C; -454 ° F). Fotony te wypełniają magazyn kosmiczny i pojawiają się jako poświata tła, którą można wykryć w zakresie dalekiej podczerwieni i fal radiowych.

Historia studiów:

Istnienie CMB zostało po raz pierwszy teoretycznie ukształtowane przez ukraińsko-amerykańskiego fizyka George'a Gamowa, wraz z jego uczniami, Ralphem Alpherem i Robertem Hermanem, w 1948 roku. Teoria ta opierała się na ich badaniach nad konsekwencjami nukleosyntezy pierwiastków lekkich (wodór, hel i lit) podczas bardzo wczesnego Wszechświata. Zasadniczo zdali sobie sprawę, że aby zsyntetyzować jądra tych pierwiastków, wczesny Wszechświat musiał być wyjątkowo gorący.

Następnie wysunęli teorię, że pozostałości promieniowania z tego niezwykle gorącego okresu przenikną Wszechświat i będą wykrywalne. Z powodu ekspansji Wszechświata oszacowali, że to promieniowanie tła miałoby niską temperaturę 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - zaledwie pięć stopni powyżej zera absolutnego - co odpowiada długości fali mikrofalowej. Dopiero w 1964 roku wykryto pierwszy dowód na CMB.

Był to wynik amerykańskich astronomów Arno Penziasa i Roberta Wilsona wykorzystujących radiometr Dicke'a, których zamierzali użyć do eksperymentów radioastronomicznych i komunikacji satelitarnej. Jednak podczas pierwszego pomiaru zauważyli nadwyżkę temperatury anteny o wartości 4,2 K, której nie byli w stanie uwzględnić i którą można wyjaśnić jedynie obecnością promieniowania tła. Za odkrycie Penzias i Wilson otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1978 roku.

Początkowo wykrycie CMB było źródłem sporów między zwolennikami różnych teorii kosmologicznych. Podczas gdy zwolennicy teorii Wielkiego Wybuchu twierdzili, że jest to „promieniowanie reliktowe” pozostawione po Wielkim Wybuchu, zwolennicy teorii stanu ustalonego argumentowali, że jest ona wynikiem rozproszonego światła gwiazd z odległych galaktyk. Jednak w latach siedemdziesiątych pojawił się konsensus naukowy, który sprzyja interpretacji Wielkiego Wybuchu.

W latach 80. naziemne przyrządy nakładały coraz ostrzejsze ograniczenia różnic temperatur CMB. Obejmowały one sowiecką misję RELIKT-1 na pokładzie satelity Prognoz 9 (wystrzeloną w lipcu 1983 r.) Oraz misję NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (której wyniki opublikowano w 1992 r.). Za swoją pracę zespół COBE otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2006 r.

COBE wykryło również pierwszy pik akustyczny CMB, oscylacje akustyczne w plazmie, które odpowiadają zmianom gęstości na dużą skalę we wczesnym wszechświecie wywołanym niestabilnością grawitacyjną. W ciągu następnej dekady przeprowadzono wiele eksperymentów, które obejmowały eksperymenty naziemne i balonowe, których celem było zapewnienie dokładniejszych pomiarów pierwszego piku akustycznego.

Drugi pik akustyczny został wstępnie wykryty przez kilka eksperymentów, ale nie został ostatecznie wykryty, dopóki w 2001 r. Nie użyto sondy mikrofalowej anizotropii Wilkinsona (WMAP). W latach 2001–2010, kiedy misja została zakończona, WMAP wykrył również trzeci pik. Od 2010 r. Wiele misji monitoruje CMB w celu zapewnienia lepszych pomiarów polaryzacji i zmian gęstości na małą skalę.

Należą do nich naziemne teleskopy, takie jak QUEST w DASI (QUaD) i Teleskop Bieguna Południowego w Stacji Bieguna Południowego Amudsen-Scott, oraz Teleskop Atacama Cosmology i Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) w Chile. Tymczasem Europejska Agencja Kosmiczna Planck statek kosmiczny nadal mierzy CMB z kosmosu.

Przyszłość CMB:

Zgodnie z różnymi teoriami kosmologicznymi Wszechświat może w pewnym momencie przestać się rozszerzać i zacząć cofać, osiągając punkt kulminacyjny, po którym następuje kolejny Wielki Wybuch - aka. teoria Big Cruncha. W innym scenariuszu, znanym jako Big Rip, ekspansja Wszechświata ostatecznie doprowadzi do rozerwania całej materii i czasoprzestrzeni.

Jeśli żaden z tych scenariuszy nie jest poprawny, a Wszechświat nadal się rozwija w przyspieszającym tempie, CMB będzie kontynuować przesunięcie ku czerwieni do punktu, w którym nie będzie już wykrywalny. W tym momencie zostanie wyprzedzony przez pierwsze światło gwiazd utworzone we Wszechświecie, a następnie przez pola promieniowania tła wytwarzane przez procesy, które, jak się zakłada, będą miały miejsce w przyszłości Wszechświata.

W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów na temat Kosmicznego Mikrofalówki. Oto, czym jest kosmiczne promieniowanie mikrofalowe w tle ?, Teoria wielkiego podrywu: Ewolucja naszego wszechświata, czym była kosmiczna inflacja? Poszukiwanie zrozumienia najwcześniejszego wszechświata, odkrycie punktu orientacyjnego: nowe wyniki dostarczają bezpośrednich dowodów na kosmiczną inflację i jak szybko rozszerza się wszechświat? Hubble i Gaia łączą siły, aby przeprowadzić jak dotąd najdokładniejsze pomiary.

Aby uzyskać więcej informacji, sprawdź stronę misji NASA WMAP i stronę misji ESA Planck.

Obsada Astronomy ma również informacje na ten temat. Posłuchaj tutaj: Odcinek 5 - Tło wielkiego wybuchu i kosmicznej mikrofalówki

Źródła: