Tuhansien vuosien ajan ihminen on harkinnut maailmankaikkeutta ja pyrkinyt selvittämään sen todellisen laajuuden. 1900-luvulle mennessä tutkijat alkoivat ymmärtää kuinka suuri (ja ehkä jopa loputon) maailmankaikkeus todella on.
Ja kosmologit ovat löytäneet joitain todella uskomattomia asioita etsiessään kauemmas avaruuteen ja syvemmälle ajassa taaksepäin. Esimerkiksi, 1960-luvulla, tähtitieteilijät saivat tiedon mikroaaltosäteilystä, joka oli havaittavissa kaikkiin suuntiin. Kosmisen mikroaaltotaustana (CMB) tunnetuksi tämän säteilyn olemassaolo on auttanut meitä ymmärtämään kuinka maailmankaikkeus alkoi.
Kuvaus:
CMB on pääosin sähkömagneettinen säteily, joka on jäljellä varhaisimmasta kosmologisesta aikakaudesta, joka läpäisee koko maailmankaikkeuden. Sen uskotaan muodostuneen noin 380 000 vuotta suuren räjähdyksen jälkeen ja sisältää hienovaraisia ohjeita siitä, kuinka ensimmäiset tähdet ja galaksit muodostuivat. Vaikka tämä säteily on näkymätöntä optisten kaukoputkien avulla, radioteleskoopit kykenevät havaitsemaan heikot signaalit (tai hehku), jotka ovat voimakkaimpia radiospektrin mikroaaltoalueella.
CMB on näkyvissä 13,8 miljardin valovuoden etäisyydellä kaikkiin suuntiin maapallosta, mikä johtaa tutkijoita selvittämään, että tämä on maailmankaikkeuden todellinen ikä. Se ei kuitenkaan ole osoitus maailmankaikkeuden todellisesta laajuudesta. Kun otetaan huomioon, että avaruus on ollut laajentumisen tilassa varhaisesta maailmankaikkeudesta lähtien (ja se laajenee valon nopeutta nopeammin), CMB on vain kaikkein kaukaisin aika sitten, jonka pystymme näkemään.
Sukulaisuussuhde:
CMB on keskeisessä asemassa Big Bang Theory ja modernit kosmologiset mallit (kuten Lambda-CDM-malli). Kun teoria menee, universumin syntyessä 13,8 miljardia vuotta sitten, kaikki aine tiivistyi äärettömän tiheyden ja äärimmäisen lämmön yhteen pisteeseen. Aineen äärimmäisen kuumuuden ja tiheyden takia maailmankaikkeuden tila oli erittäin epävakaa. Yhtäkkiä tämä kohta alkoi laajentua, ja maailmankaikkeus sellaisena kuin me sen tiedämme, alkoi.
Tässä vaiheessa tila oli täynnä tasaisesti valkoisen kuumien plasmahiukkasten hehkua - joka koostui protoneista, neutroneista, elektronista ja fotoneista (valo). Vuosina 380 000 - 150 miljoonaa vuotta ison räjähdyksen jälkeen fotonit olivat jatkuvasti vuorovaikutuksessa vapaiden elektronien kanssa eivätkä pystyneet kulkemaan pitkiä matkoja. Siksi tätä aikakautta kutsutaan puhekielellä nimellä "pimeät aikakaudet".
Kun maailmankaikkeus jatkoi laajentumistaan, se jäähtyi pisteeseen, jossa elektronit pystyivät yhdistymään protonien kanssa muodostamaan vetyatomeja (aka. Yhdistelmäjakso). Vapaiden elektronien puuttuessa fotonit pystyivät liikkumaan esteettömästi maailmankaikkeuden läpi ja se alkoi näkyä kuten nykyään (ts. Läpinäkyvä ja valon läpäisemä). Miljardien vuosien kuluessa maailmankaikkeus jatkoi laajentumistaan ja jäähtyi voimakkaasti.
Avaruuden laajenemisesta johtuen fotonien aallonpituudet kasvoivat (muuttuivat ”punaisiksi”) suunnilleen 1 millimetriksi ja niiden efektiivinen lämpötila laski juuri absoluuttisen nollan yläpuolelle - 2,7 kelviniä (-270 ° C; -454 ° F). Nämä fotonit täyttävät Space Magazine -lehden ja näkyvät taustavalona, joka voidaan havaita kauko-infrapuna- ja radioaallonpituuksilla.
Opintohistoria:
CMB: n olemassaolosta keskusteli ensin ukrainalais-amerikkalainen fyysikko George Gamow yhdessä opiskelijoidensa Ralph Alpherin ja Robert Hermanin kanssa vuonna 1948. Tämä teoria perustui heidän tutkimuksiinsa valoelementtien (vedyn, heliumin ja litium) hyvin varhaisessa universumissa. Pohjimmiltaan he tajusivat, että näiden elementtien ytimen syntetisoimiseksi varhaisen maailmankaikkeuden oli oltava erittäin kuuma.
He edelleen teoreettiset, että tämän erittäin kuuman ajanjakson jäljellä oleva säteily tunkeutuisi maailmankaikkeuteen ja olisi havaittavissa. Universumin laajentumisen vuoksi he arvioivat, että tämän tausta säteilyn lämpötila olisi matala 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - vain viisi astetta absoluuttisen nollan yläpuolella - mikä vastaa mikroaallon aallonpituuksia. Vasta 1964 havaittiin ensimmäiset todisteet CMB: stä.
Tämä johtui amerikkalaisten tähtitieteilijöiden Arno Penziasin ja Robert Wilsonin käyttämästä Dicken radiometristä, jota he aikoivat käyttää radioastronomiaan ja satelliittiviestintäkokeisiin. Ensimmäistä mittausta tehdessään he havaitsivat kuitenkin 4,2K: n antennilämpötilan ylittymisen, jota he eivät pystyneet selvittämään ja joka selitettiin vain taustasäteilyn läsnäololla. Löytöstään Penzias ja Wilson saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1978.
CMB: n havaitseminen oli alun perin kiista eri kosmologisten teorioiden kannattajien välillä. Kun Big Bang -teorian puolustajat väittivät, että kyse oli "jäännössäteilystä", joka oli jäljellä Big Bangista, Steady State -teorian puolustajat väittivät, että se johtui kaukaisten galaksien hajaantuneesta tähtivalosta. 1970-luvulle mennessä oli kuitenkin saatu aikaan tieteellinen yhteisymmärrys, joka suosi Big Bangin tulkintaa.
1980-luvun aikana maapohjaiset instrumentit asettivat yhä tiukempia rajoituksia CMB: n lämpötilaeroille. Näihin kuuluivat Neuvostoliiton RELIKT-1-operaatio Prognoz 9 -satelliitissa (joka käynnistettiin heinäkuussa 1983) ja NASA Cosmic Background Explorer (COBE) -operaatio (joiden löytöt julkaistiin vuonna 1992). COBE-tiimi sai työstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2006.
COBE havaitsi myös CMB: n ensimmäisen akustisen huipun, akustiset värähtelyt plasmassa, mikä vastaa varhaisissa universumien tiheysvaihteluita, jotka johtuvat gravitaation epävakaudesta. Seuraavan vuosikymmenen aikana seurasi monia kokeita, jotka koostuivat maa- ja ilmapallopohjaisista kokeista, joiden tarkoituksena oli saada aikaan tarkemmat ensimmäisen akustisen piikin mittaukset.
Toinen akustinen piikki havaittiin alustavasti useilla kokeilla, mutta sitä ei havaittu lopullisesti ennen kuin Wilkinsonin mikroaaltouunin anototrooppinen koetin (WMAP) otettiin käyttöön vuonna 2001. Vuodesta 2001 vuoteen 2010, jolloin operaatio päätettiin, WMAP havaitsi myös kolmannen piikin. Vuodesta 2010 lähtien useita operaatioita on seurattu CMB: tä polarisaation ja pienimuotoisten tiheyden vaihteluiden parantamiseksi.
Näitä ovat maanpäälliset kaukoputket, kuten QUEST at DASI (QUaD) ja etelänavan teleskooppi Amudsen-Scottin etelänavan asemalla, ja Atacama-kosmologinen teleskooppi ja Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) -teleskooppi Chilessä. Samaan aikaan Euroopan avaruusjärjestön Planck avaruusalus jatkaa CMB: n mittaamista avaruudesta.
CMB: n tulevaisuus:
Erilaisten kosmologisten teorioiden mukaan maailmankaikkeus voi jossain vaiheessa lakata laajentumasta ja aloittaa peruutus, joka huipentuu romahtamiseen, jota seuraa toinen Big Bang - aka. Big Crunch -teoria. Toisessa skenaariossa, joka tunnetaan nimellä Big Rip, maailmankaikkeuden laajeneminen johtaa lopulta kaiken aineen ja avaruuden ajan itsensä repimiseen.
Jos kumpikaan näistä skenaarioista ei ole oikea, ja maailmankaikkeus jatkoi laajentumistaan kiihtyvällä nopeudella, CMB jatkaa punasiirtymistä pisteeseen, jossa sitä ei enää voida havaita. Tässä vaiheessa sen ohittaa ensimmäinen maailmankaikkeudessa syntynyt tähtivalo, ja sitten tulevaisuuden maailmankaikkeudessa tapahtuu taustasäteilykenttiä, jotka oletetaan tapahtuvan prosessien kautta.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita kosmisesta mikroaaltouuni-taustasta täällä Space Magazine. Tässä on Mikä on kosmisen mikroaaltotausta säteily ?, Big Bang Theory: Universumin evoluutio, mikä oli kosminen inflaatio? Tavoite ymmärtää varhaisinta maailmankaikkeutta, maamerkki löytö: Uudet tulokset tarjoavat suoran todistuksen kosmisesta inflaatiosta ja kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee? Hubble ja Gaia -joukkue suorittavat viimeisimmät tarkimmat mittaukset.
Lisätietoja saat NASA: n WMAP-tehtävän sivulta ja ESA: n Planck-tehtävän sivulta.
Tähtitieteen näyttelijöillä on myös tietoa aiheesta. Kuuntele tästä: Jakso 5 - Big Bang ja kosminen mikroaaltouuni
Lähteet:
- ESA - Planck ja kosminen mikroaaltouuni
- Universumin fysiikka - kosminen tausta säteily
- Kosmos - Kosmisen mikroaaltouuni tausta
- Wikipedia - kosminen mikroaaltouuni
