Človeško bitje je tisoče let razmišljalo o Vesolju in si prizadevalo ugotoviti njegov resnični obseg. Znanstveniki so že v 20. stoletju začeli razumeti, kako obsežno (in morda celo neskončno) je vesolje.
In ko so pogledali dlje v vesolje in globlje v čas, so kozmologi odkrili nekaj res neverjetnih stvari. Na primer, v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so astronomi spoznali sevanje mikrovalovnega ozadja, ki ga je bilo mogoče zaznati v vseh smereh. Znan kot kozmično mikrovalovno ozadje (CMB) je obstoj tega sevanja pomagal dopovedati naše razumevanje, kako se je vesolje začelo.
Opis:
CMB je v bistvu elektromagnetno sevanje, ki je ostalo od najzgodnejše kozmološke epohe, ki prežema celotno vesolje. Verjame se, da se je oblikovalo približno 380.000 let po velikem udaru in vsebuje subtilne označbe, kako so nastale prve zvezde in galaksije. Medtem ko je to sevanje z optičnimi teleskopi nevidno, radijski teleskopi lahko zaznajo šibki signal (ali sijaj), ki je najmočnejši v mikrovalovnem območju radijskega spektra.
CMB je viden na razdalji 13,8 milijarde svetlobnih let v vseh smereh od Zemlje, kar znanstvenike vodi k ugotovitvi, da je to prava doba vesolja. Vendar to ne kaže pravega obsega vesolja. Glede na to, da je vesolje že od zgodnjega vesolja (in se širi hitreje od svetlobne hitrosti), je prostor samo najbolj oddaljen v času, ki smo ga sposobni videti.
Odnos do velikega poka:
CMB je osrednja v teoriji velikega poka in sodobnih kozmoloških modelov (kot je model Lambda-CDM). Kot kaže teorija, se je vesolje rodilo pred 13,8 milijarde let, vsa snov se je kondenzirala na eno točko neskončne gostote in ekstremne toplote. Zaradi vesoljne vročine in gostote snovi je bilo stanje Vesolja zelo nestabilno. Nenadoma se je ta točka začela širiti in vesolje, kot ga poznamo, se je začelo.
V tem času je bil prostor napolnjen z enakomernim sijajem belih vročih delcev plazme - ki so bili sestavljeni iz protonov, nevtronov, elektronov in fotonov (svetloba). Med 380.000 in 150 milijoni let po velikem udaru so fotoni nenehno komunicirali s prostimi elektroni in niso mogli prepotovati velikih razdalj. Zato se ta epoha pogovorno imenuje "temna doba".
Ko se je vesolje še naprej širilo, se je ohladilo do točke, ko so se elektroni lahko združili s protoni, da so tvorili vodikove atome (aka. Obdobje rekombinacije). Ker ni bilo prostih elektronov, so se fotoni lahko nemoteno gibali po Vesolju in začelo se je pojavljati tako kot danes (tj. Prozorno in prežeto s svetlobo). Vesolje se je v zadnjih milijardah let še naprej širilo in močno hladilo.
Zaradi širitve prostora so valovne dolžine fotonov naraščale (postale "rdeče premeščene") na približno 1 milimeter, njihova efektivna temperatura pa se je znižala na malo nad absolutno ničlo - 2,7 Kelvina (-270 ° C; -454 ° F). Ti fotoni napolnjujejo vesoljski časopis in so videti kot ozadje, ki ga je mogoče zaznati v daljinskem infrardečem in radijskem valovnem dolžini.
Zgodovina študija:
Obstoj CMB je prvi teoretiziral ukrajinsko-ameriški fizik George Gamow, skupaj s študentoma Ralphom Alpherjem in Robertom Hermanom, leta 1948. Ta teorija je temeljila na njihovih študijah posledic nukleosinteze svetlobnih elementov (vodik, helij in litij) v zelo zgodnjem vesolju. V bistvu so spoznali, da je za sintezo jeder teh elementov potrebno biti zgodnje vesolje izredno vroče.
Nadalje so teoretirali, da bi ostanki sevanja iz tega izredno vročega obdobja prežemali vesolje in bi jih bilo mogoče zaznati. Zaradi širitve vesolja so ocenili, da bo imelo sevanje ozadja nizko temperaturo 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - le pet stopinj nad absolutno ničlo - kar ustreza mikrovalovnim valovnim dolžinam. Šele leta 1964 so bili odkriti prvi dokazi za CMB.
To je bil rezultat ameriških astronomov Arno Penzias in Roberta Wilsona, ki so uporabljali radiometer Dicke, ki so ga nameravali uporabiti za eksperimente radio-astronomije in satelitske komunikacije. Vendar so pri prvem merjenju opazili presežek 4,2 K temperature antene, ki je niso mogli upoštevati in jo je mogoče razložiti le s prisotnostjo sevanja ozadja. Penzias in Wilson sta za svoje odkritje leta 1978 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
Na začetku je bilo odkrivanje CMB izvor prepirov med zagovorniki različnih kozmoloških teorij. Medtem ko so zagovorniki teorije velikega praska trdili, da je to "relikvijsko sevanje", ki je ostalo od velikega poka, so zagovorniki teorije stabilnega stanja trdili, da je posledica razpršene zvezdne svetlobe iz oddaljenih galaksij. Vendar pa se je v 70. letih prejšnjega stoletja pojavilo znanstveno soglasje, ki je podpiralo razlago Big Bang.
V osemdesetih letih so zemeljski instrumenti postavili vedno strožje meje temperaturnih razlik CMB. Sem spadajo sovjetska misija RELIKT-1 na satelitu Prognoz 9 (izstrelitev je bila julija 1983) in misija NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (ugotovitve so bile objavljene leta 1992). Ekipa COBE je za svoje delo leta 2006 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
COBE je zaznal tudi prvi zvočni vrh CMB, akustična nihanja v plazmi, kar ustreza velikim spremembam gostote v zgodnjem vesolju, ki jih ustvarjajo gravitacijske nestabilnosti. V naslednjem desetletju je sledilo veliko poskusov, ki so sestavljali zemeljske in balonske poskuse, katerih namen je bil natančnejše meritve prvega akustičnega vrha.
Drugi akustični vrh je bil zaznavno zaznan z več poskusi, vendar ga dokončno niso zaznali, dokler ni bila Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) postavljena leta 2001. Med letoma 2001 in 2010, ko je bila misija zaključena, je WMAP zaznal tudi tretji vrh. Od leta 2010 več misij spremlja CMB za izboljšanje meritev polarizacije in majhnih sprememb v gostoti.
Sem sodijo zemeljski teleskopi, kot so QUEST pri DASI (QUaD) in teleskop Južni pol na postaji Amudsen-Scott South Pole, ter Atacama Cosmology Telescope in Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) teleskop v Čilu. Medtem je Evropska vesoljska agencija Planck vesoljsko plovilo še naprej meri vesolje.
Prihodnost CMB:
V skladu z različnimi kozmološkimi teorijami se lahko vesolje v nekem trenutku preneha širiti in začne vzvratno, kulminira pa z zlomom, ki mu bo sledil še en Big Bang - aka. teorija Big Crunch. Po drugem scenariju, znanem kot Big Rip, bo širitev Vesolja sčasoma pripeljala do tega, da se bo vsa materija in vesolje sam raztrgala.
Če nobeden od teh scenarijev ni pravilen in se je vesolje še naprej širilo s hitrostjo, bo CMB nadaljeval s ponovnim premikanjem do točke, ko je ni več mogoče zaznati. Na tej točki ga bo premagala prva zvezda, ustvarjena v vesolju, nato pa polja sevanja ozadja, ki jih ustvarjajo procesi, za katere se predvideva, da se bodo odvijali v prihodnosti vesolja.
Tu smo napisali veliko zanimivih člankov o kozmičnem mikrovalovnem ozadju pri reviji Space. Tukaj je tisto, kar je kozmično mikrovalovno ozadje ozadja ?, teorija velikega poka: Evolucija našega vesolja, kaj je bila kozmična napihnjenost? Prizadevanje za razumevanje najzgodnejšega vesolja, pomembno odkritje: novi rezultati zagotavljajo neposredne dokaze za kozmično napihnjenost in kako hitro se vesolje širi? Hubble in Gaia se združita za izvajanje najbolj natančnih meritev do zdaj.
Za več informacij si oglejte NASA-ino stran misije WMAP in stran misije ESA Planck.
Informacije o tej temi imajo tudi Astronomy Cast. Poslušajte tukaj: Epizoda 5 - Ozadje velikega praska in kozmična mikrovalovna
Viri:
- ESA - Planck in kozmično ozadje mikrovalov
- Fizika vesolja - kozmično ozadje
- Kozmos - kozmično mikrovalovno ozadje
- Wikipedia - kozmično mikrovalovno ozadje
