Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Planck-satelliitin vuonna 2013 ottama kuva kosmisesta mikroaaltosäteilystä osoittaa pieniä variaatioita taivaalla
(Kuva: © ESA / Planck Collaboration)
Kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) ajatellaan olevan jäljellä olevaa säteilyä isosta räjähdyksestä tai ajasta, jolloin maailmankaikkeus alkoi. Teorian edetessä maailmankaikkeuden syntyessä se nousi nopeasti ja laajeni. (Maailmankaikkeus kasvaa edelleen tänään, ja laajentumisnopeus näyttää erilaiselta siitä missä katsot). CMB edustaa isosta räjähdyksestä jäljelle jäänyttä lämpöä.
CMB: tä ei voi nähdä paljain silmin, mutta se on kaikkialla maailmankaikkeudessa. Se on näkymätön ihmisille, koska se on niin kylmä, vain 2 725 astetta absoluuttisen nollan yläpuolella (miinus 459,67 Fahrenheit-astetta tai miinus 273,15 astetta Celsius-astetta.) Tämä tarkoittaa, että säteily on näkyvin sähkömagneettisen spektrin mikroaalto-osassa.
Alkuperä ja löytö
Maailmankaikkeus alkoi 13,8 miljardia vuotta sitten, ja CMB juontaa juurensa noin 400 000 vuotta Ison räjähdyksen jälkeen. Tämä johtuu siitä, että maailmankaikkeuden varhaisessa vaiheessa, kun se oli vain sadan miljoonan kokoinen nykyään, sen lämpötila oli äärimmäinen: 273 miljoonaa astetta edellä absoluuttinen nolla, NASA: n mukaan.
Kaikki tuolloin läsnä olevat atomit hajotettiin nopeasti pieniksi hiukkasiksi (protonit ja elektronit). CMB: n säteily fotoneissa (hiukkaset, jotka edustavat valomääriä tai muuta säteilyä) hajotettiin elektroneista. "Näin ollen fotonit kulkivat varhaisen maailmankaikkeuden läpi, samoin kuin optinen valo vaeltaa tiheän sumun läpi", NASA kirjoitti.
Noin 380 000 vuotta suuren räjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli tarpeeksi viileä, jotta vety voisi muodostua. Koska vety lyö CMB-fotoneihin tuskin, fotonit kulkevat suorassa linjassa. Kosmologit viittaavat "viimeisen sironnan pintaan", kun CMB-fotonit viimeksi osuivat; sen jälkeen maailmankaikkeus oli liian iso. Joten kun kartoitamme CMB: tä, katsomme taaksepäin taaksepäin 380 000 vuoteen Ison räjähdyksen jälkeen, heti sen jälkeen kun maailmankaikkeus oli läpinäkymätöntä säteilylle.
Amerikkalainen kosmologi Ralph Apher ennusti CMB: tä ensimmäisen kerran vuonna 1948, kun hän työskenteli Robert Hermanin ja George Gamowin kanssa NASA: n mukaan. Ryhmä teki tutkimusta, joka liittyi Big Bang -nukleosynteesiin tai elementtien tuotantoon maailmankaikkeudessa, vetyjen kevyimmän isotoopin (tyypin) lisäksi. Tämän tyyppinen vety luotiin hyvin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden historiassa.
Mutta CMB löydettiin ensin vahingossa. Vuonna 1965 kaksi Bell Telephone Laboratories -yrityksen tutkijaa (Arno Penzias ja Robert Wilson) loivat radiovastaanottimen, ja hämmästyivät sen aiheuttamasta melusta. He huomasivat pian, että melu tuli tasaisesti kaikkialta taivaasta. Samaan aikaan Princetonin yliopiston ryhmä (johtaja Robert Dicke) yritti löytää CMB: tä. Dicken joukkue sai tuulta Bell-kokeilusta ja tajusi CMB: n löytyneen.
Molemmat joukkueet julkaisivat nopeasti lehdet Astrophysical Journal -lehdessä vuonna 1965, Penzias ja Wilson puhuivat näkemästään, ja Dicken joukkue selitti mitä se tarkoittaa maailmankaikkeudessa. (Myöhemmin Penzias ja Wilson saivat molemmat vuoden 1978 fysiikan Nobel-palkinnon).
Opiskelu yksityiskohtaisemmin
CMB on hyödyllinen tutkijoille, koska se auttaa meitä oppimaan, miten varhainen maailmankaikkeus muodostui. Se on tasaisessa lämpötilassa, ja vain pienet vaihtelut näkyvät tarkkoilla kaukoputkilla. "Tutkimalla näitä vaihteluita, kosmologit voivat oppia galaksien alkuperästä ja galaksien suurista rakenteista ja he voivat mitata Big Bang -teorian perusparametrit", NASA kirjoitti.
Vaikka osia CMB: stä kartoitettiin seuraavien vuosikymmenien aikana sen löytämisen jälkeen, ensimmäinen avaruuspohjainen taivaskartta tuli NASA: n Cosmic Background Explorer (COBE) -operaatiolta, joka käynnistyi vuonna 1989 ja lopetti tieteelliset toiminnot vuonna 1993. Tämä ”vauvakuva” "Maailmankaikkeuden", kuten NASA kutsuu sitä, vahvisti Big Bang -teorian ennusteet ja osoitti myös vinkkejä kosmisesta rakenteesta, joita ei ennen ollut nähty. Vuonna 2006 Nobelin fysiikan palkinto myönnettiin COBE-tutkijoille John Matherille NASA: n Goddardin avaruuslentokeskuksessa ja George Smootille Kalifornian yliopistossa, Berkeley.
Yksityiskohtaisempi kartta saatiin vuonna 2003 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), joka käynnisti kesäkuussa 2001 ja lopetti tieteellisten tietojen keruun vuonna 2010. Ensimmäinen kuva sidottiin maailmankaikkeuden ikään 13,7 miljardiin vuoteen (mittaus on puhdistettu 13,8 miljardiin). vuotta) ja paljasti myös yllätyksen: vanhimmat tähdet alkoivat paistaa noin 200 miljoonaa vuotta Ison räjähdyksen jälkeen, paljon aikaisemmin kuin ennustettiin.
Tutkijat seurasivat näitä tuloksia tutkimalla maailmankaikkeuden hyvin varhaisia inflaatiovaiheita (triljoonassa sekunnissa muodostumisen jälkeen) ja antamalla tarkempia parametrejä atomitiheydelle, maailmankaikkeuden murtumallisuudelle ja muille maailmankaikkeuden ominaisuuksille pian sen muodostumisen jälkeen. He näkivät myös omituisen epäsymmetrian keskimääräisissä lämpötiloissa taivaan kummallakin pallonpuoliskolla ja odotettua suuremman "kylmän pisteen". WMAP-ryhmä sai työstään vuoden 2018 läpimurtopalkinnon perusfysiikassa.
Vuonna 2013 julkaistiin Euroopan avaruusjärjestön Planck-avaruuskaukoputken tiedot, jotka osoittavat CMB: n toistaiseksi tarkimman kuvan. Tutkijat paljasti toisen mysteerin näillä tiedoilla: CMB: n vaihtelut suurella kulma-asteikolla eivät vastanneet ennusteita. Planck vahvisti myös sen, mitä WMAP näki epäsymmetrian ja kylmän pisteen suhteen. Planckin lopullinen tietojulkaisu vuonna 2018 (operaatio toteutettiin vuosien 2009 ja 2013 välillä) osoitti enemmän todisteita siitä, että tummaa ainetta ja tummaa energiaa - salaperäisiä voimia, jotka ovat todennäköisesti maailmankaikkeuden kiihtymisen takana - näyttää olevan.
Muilla tutkimustoimilla on yritetty tarkastella CMB: n eri näkökohtia. Yksi on polarisaatiotyyppien määrittäminen, joita kutsutaan E-moodiksi (jotka löysi Antarctica-pohjainen astekulma-asteikkointerferometri vuonna 2002) ja B-moodiksi. B-moodit voidaan tuottaa E-moodien painovoimaobjektiivista (tämä linssi nähtiin ensimmäisen kerran etelänavan teleskoopilla vuonna 2013) ja painovoima-aaltoihin (jotka havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2016 Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory -tekniikan tai LIGO: n avulla). Vuonna 2014 Etelämantereen perustuvan BICEP2-instrumentin sanottiin löytäneen gravitaatioaalto B-moodit, mutta lisähavainnot (mukaan lukien Planckin tekemä työ) osoittivat näiden tulosten johtuvan kosmisesta pölystä.
Vuoden 2018 puolivälistä lähtien tutkijat etsivät edelleen signaalia, joka osoitti lyhyen ajan maailmankaikkeuden nopeasta laajentumisesta pian Ison räjähdyksen jälkeen. Siihen aikaan maailmankaikkeus oli kasvussa valon nopeutta nopeammalla nopeudella. Jos näin tapahtui, tutkijoiden epäillään, että sen pitäisi olla näkyvissä CMB: ssä polarisaation muodossa. Tuona vuonna tehdyssä tutkimuksessa ehdotettiin, että nanodimanttien hehku luo heikkoa, mutta havaittavissa olevaa valoa, joka häiritsee kosmisia havaintoja. Nyt kun tämä hehku on otettu huomioon, tulevat tutkimukset voisivat poistaa sen etsiäkseen paremmin heikkoa polarisaatiota CMB: ssä, tutkimuksen tekijät totesivat tuolloin.
Lisäresurssi
- NASA: Big Bang -testit: CMB
