Slika kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja, ki jo je leta 2013 posnel satelit Planck Evropske vesoljske agencije (ESA), prikazuje majhne razlike po nebu
(Slika: © ESA / Planck Collaboration)
Kozmično mikrovalovno ozadje (CMB) naj bi bilo preostalo sevanje iz Velikega poka, ali čas začetka vesolja. Kot kaže teorija, se je ob nastanku vesolja podvrglo hitri inflaciji in širitvi. (Vesolje se še danes širi in hitrost širjenja se zdi različna, odvisno od tega, kje gledate). CMB predstavlja toploto, preostalo od velikega poka.
CMB ne morete videti s prostim očesom, vendar je povsod v vesolju. Človek je neviden, saj je tako hladen, le 2.725 stopinj nad absolutno ničlo (minus 459.67 stopinj Farenhejta ali minus 273.15 stopinj Celzija.) To pomeni, da je njegovo sevanje najbolj vidno v mikrovalovnem delu elektromagnetnega spektra.
Poreklo in odkritje
Vesolje se je začelo pred 13,8 milijarde let, CMB pa sega približno v 400 000 let po velikem udaru. To je zato, ker je bila v zgodnjih fazah vesolja, ko je bila danes le sto milijonov, danes njegova temperatura ekstremna: 273 milijonov stopinj nad glede na NASA absolutno ničlo.
Vsi atomi, ki so bili prisotni v tistem času, so bili hitro razdeljeni na majhne delce (protone in elektrone). Sevanje iz CMB v fotonih (delci, ki predstavljajo kvantne luči ali drugo sevanje) je bilo razpršeno od elektronov. "Tako se fotoni sprehajajo po zgodnjem vesolju, tako kot se optična svetloba sprehaja skozi gosto meglo," je zapisala NASA.
Približno 380.000 let po velikem udaru je bilo vesolje dovolj kul, da je lahko tvoril vodik. Ker na fotone CMB komajda vplivajo udarci vodika, fotoni potujejo v ravnih črtah. Kozmologi se sklicujejo na "površino zadnjega razkroja", ko so nazadnje zadeti fotoni CMB; po tem je bilo vesolje preveliko. Ko preslikamo CMB, gledamo nazaj na 380.000 let po velikem udaru, takoj po tem, ko je bilo vesolje neprozorno za sevanje.
Ameriški kozmolog Ralph Apher je prvič napovedal CMB leta 1948, ko je opravljal delo z Robertom Hermanom in Georgeom Gamowom, poroča NASA. Skupina je delala raziskave, povezane z nukleosintezo Big Bang, ali proizvodnjo elementov v vesolju poleg najlažjega izotopa (vrste) vodika. Ta vrsta vodika je nastala zelo zgodaj v zgodovini vesolja.
Toda CMB so najprej našli po naključju. Leta 1965 sta dva raziskovalca z Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias in Robert Wilson) ustvarjala radijski sprejemnik in bila zmedena zaradi hrupa, ki ga je zajel. Kmalu so ugotovili, da hrup enakomerno prihaja z vsega neba. Obenem se je ekipa na univerzi Princeton (pod vodstvom Roberta Dickeja) trudila najti CMB. Dickejeva ekipa se je naučila eksperimenta Bell in ugotovila, da je bil CMB najden.
Obe ekipi sta leta 1965 v časopisu Astrophysical Journal objavili prispevke, v katerih sta Penzias in Wilson govorila o tem, kar sta videla, Dickejeva ekipa pa je pojasnila, kaj to pomeni v kontekstu vesolja. (Pozneje sta oba Penzias in Wilson prejela Nobelovo nagrado za fiziko 1978).
Študij podrobneje
CMB je znanstvenikom koristen, saj nam pomaga, da se naučimo, kako se je oblikovalo zgodnje vesolje. Je pri enakomerni temperaturi z le majhnimi nihanji, ki so vidna pri natančnih teleskopih. "S preučevanjem teh nihanj lahko kozmologi spoznajo izvor galaksij in obsežne strukture galaksij ter lahko izmerijo osnovne parametre teorije velikega poka," je zapisala NASA.
Medtem ko so bili deli CMB preslikani v naslednjih desetletjih po njegovem odkritju, je prvi vesoljski zemljevid s celotnim nebom prišel iz NASA-ine misije Cosmic Background Explorer (COBE), ki se je začela leta 1989 in prenehala z znanstvenimi operacijami leta 1993. Ta "otroška slika "Vesolja, kot ga poimenuje NASA, je potrdilo napovedi teorije velikega poka in pokazalo tudi namige o kozmični strukturi, ki jih prej nismo videli. Leta 2006 so Nobelovo nagrado za fiziko podelili znanstvenikom COBE Johnu Matheru iz NASA Goddard centra za vesoljske polete in Georgeu Smootu na kalifornijski univerzi v Berkeleyju.
Podrobnejši zemljevid je bil izdelan leta 2003 z vsoto Wilkinson Microwave Anisotropy Sonda (WMAP), ki je začela leta 2001 in nehala zbirati znanstvene podatke leta 2010. Prva slika je starost vesolja povezovala na 13,7 milijarde let (meritev od natančnejšega 13,8 milijarde let) in tudi razkrila presenečenje: najstarejše zvezde so začele sijati približno 200 milijonov let po velikem udaru, veliko prej, kot so napovedovali.
Znanstveniki so spremljali te rezultate s preučevanjem zelo zgodnjih stopenj inflacije vesolja (v trilijonski sekundi po nastanku) in z natančnejšimi parametri glede gostote atoma, lupine in drugih lastnosti vesolja kmalu po nastanku. Opazili so tudi čudno asimetrijo povprečnih temperatur na obeh nebesnih hemisferah in "hladno točko", ki je bila večja od pričakovane. Ekipa WMAP je za svoje delo prejela nagrado 2018 za temeljno fiziko za leto 2018.
Leta 2013 so bili objavljeni podatki iz vesoljskega teleskopa Evropske vesoljske agencije Planck, ki prikazuje najvišjo natančnost slike CMB doslej. Znanstveniki so s temi podatki razkrili še eno skrivnost: Nihanja v CMB na velikih kotnih lestvicah se niso ujemala z napovedmi. Planck je tudi potrdil, kaj je videl WMAP glede asimetrije in hladne točke. Planckova končna objava podatkov v letu 2018 (misija, ki je potekala med letoma 2009 in 2013) je pokazala več dokazov, da temna snov in temna energija - skrivnostne sile, ki verjetno stojijo za pospeševanjem vesolja - resda obstajajo.
Druga raziskovalna prizadevanja so poskušala preučiti različne vidike skupne trgovinske politike. Prva je določitev vrst polarizacije, imenovanih E-načini (odkritih s stopnjo kotne lestvice Interferometer na Antarktiki leta 2002) in B-načinov. Načini B lahko nastanejo z gravitacijskim lečenjem E-modusov (to je leče prvič videl Teleskop Južnega pola leta 2013) in gravitacijskimi valovi (ki so jih prvič opazili leta 2016 s pomočjo Naprednega laserskega interferometra Gravitacijski valni observatorij ali LIGO). Leta 2014 naj bi na antarktičnem instrumentu BICEP2 našli gravitacijski valovni B-način, vendar so nadaljnja opazovanja (vključno z delom Plancka) pokazala, da so ti rezultati posledica kozmičnega prahu.
Znanstveniki od sredine leta 2018 še vedno iščejo signal, ki je kmalu po velikem udaru pokazal kratko obdobje širitve vesolja. V tistem času je bilo vesolje vedno večje s hitrostjo svetlobe. Če se to zgodi, raziskovalci domnevajo, da bi to moralo biti vidno v CMB skozi obliko polarizacije. Študija tistega leta je pokazala, da sijaj nanodijamantov ustvari rahlo, a opazno svetlobo, ki posega v kozmična opazovanja. Zdaj, ko je ta sijaj upoštevan, bi ga lahko prihodnje preiskave odstranile, da bi bolje iskali šibko polarizacijo v CMB, so takrat povedali avtorji študije.
Dodatni vir
- NASA: Testi velikega poka: CMB
