Et bilde av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen stråling, tatt av European Space Agency (ESA) 's Planck-satellitt i 2013, viser de små variasjonene over himmelen
(Bilde: © ESA / Planck Collaboration)
Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) antas å være reststråling fra Big Bang, eller tiden da universet begynte. Som teorien går, gjennomgikk universet en rask inflasjon og ekspansjon da universet ble født. (Universet utvides fortsatt i dag, og ekspansjonshastigheten ser annerledes ut avhengig av hvor du ser). CMB representerer varmen som er igjen fra Big Bang.
Du kan ikke se CMB med det blotte øye, men det er overalt i universet. Det er usynlig for mennesker fordi det er så kaldt, bare 2,725 grader over absolutt null (minus 459,67 grader Fahrenheit, eller minus 273,15 grader celsius.) Dette betyr at strålingen er mest synlig i mikrobølgedelen av det elektromagnetiske spekteret.
Opprinnelse og oppdagelse
Universet begynte for 13,8 milliarder år siden, og CMB stammer fra omtrent 400 000 år etter Big Bang. Det skyldes at i de tidlige stadiene av universet, da det bare var en hundre milliondel av størrelsen det er i dag, var temperaturen ekstrem: 273 millioner grader ovenfor absolutt null, ifølge NASA.
Eventuelle atomer til stede på den tiden ble raskt brutt fra hverandre i små partikler (protoner og elektroner). Strålingen fra CMB i fotoner (partikler som representerer kvantiteter av lys, eller annen stråling) ble spredt av elektronene. "Dermed vandret fotoner gjennom det tidlige universet, akkurat som optisk lys vandrer gjennom en tett tåke," skrev NASA.
Omtrent 380 000 år etter Big Bang var universet kult nok til at hydrogen kunne dannes. Fordi CMB-fotonene knapt påvirkes av å treffe hydrogen, beveger fotonene seg i rette linjer. Kosmologer refererer til en "overflate av siste spredning" når CMB-fotonene sist traff materie; etter det var universet for stort. Så når vi kartlegger CMB, ser vi tilbake i tid til 380 000 år etter Big Bang, like etter at universet var ugjennomsiktig for stråling.
Den amerikanske kosmologen Ralph Apher spådde først CMB i 1948, da han jobbet med Robert Herman og George Gamow, ifølge NASA. Teamet forsket på Big Bang-nukleosyntese, eller produksjon av elementer i universet foruten den letteste isotop (type) hydrogen. Denne typen hydrogen ble opprettet veldig tidlig i universets historie.
Men CMB ble først funnet ved et uhell. I 1965 opprettet to forskere med Bell Phone Laboratories (Arno Penzias og Robert Wilson) en radiomottaker, og ble forundret over støyen den plukket opp. De innså snart at støyen kom jevnt fra hele himmelen. Samtidig prøvde et team ved Princeton University (ledet av Robert Dicke) å finne CMB. Dickes team fikk vind av Bell-eksperimentet og innså at CMB var blitt funnet.
Begge lag publiserte raskt artikler i Astrophysical Journal i 1965, med Penzias og Wilson som snakket om det de så, og Dickes team som forklarte hva det vil si i sammenhengen med universet. (Senere fikk Penzias og Wilson begge Nobelprisen i fysikk i 1978).
Studerer mer detaljert
CMB er nyttig for forskere fordi det hjelper oss å lære hvordan det tidlige universet ble dannet. Det er på en jevn temperatur med bare små svingninger synlige med presise teleskoper. "Ved å studere disse svingningene kan kosmologer lære om opprinnelsen til galakser og storskala strukturer av galakser, og de kan måle de grunnleggende parametrene for Big Bang-teorien," skrev NASA.
Mens deler av CMB ble kartlagt i de påfølgende tiårene etter oppdagelsen, kom det første rombaserte helhimmelskartet fra NASAs Cosmic Background Explorer (COBE) oppdrag, som ble lansert i 1989 og opphørte vitenskapsoperasjoner i 1993. Dette “babybildet ”Av universet, som NASA kaller det, bekreftet Big Bang-teoriprognoser og viste også hint om kosmisk struktur som ikke ble sett før. I 2006 ble Nobelprisen i fysikk tildelt COBE-forskere John Mather ved NASA Goddard Space Flight Center, og George Smoot ved University of California, Berkeley.
Et mer detaljert kart kom i 2003 med tillatelse av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), som ble lansert i juni 2001 og sluttet å samle vitenskapelige data i 2010. Det første bildet festet universets alder på 13,7 milliarder år (en måling siden foredlet til 13,8 milliarder år) og avslørte også en overraskelse: de eldste stjernene begynte å skinne rundt 200 millioner år etter Big Bang, langt tidligere enn spådd.
Forskere fulgte opp resultatene ved å studere de veldig tidlige inflasjonsstadiene i universet (i den trillionende sekundet etter dannelsen) og ved å gi mer presise parametere for atomtettheten, universets klumphet og andre egenskaper i universet kort tid etter at det ble dannet. De så også en underlig asymmetri i gjennomsnittstemperaturer i begge halvkule himmelen, og et "kaldt sted" som var større enn forventet. WMAP-teamet mottok gjennombruddsprisen 2018 i grunnleggende fysikk for arbeidet sitt.
I 2013 ble data fra Det europeiske romfartsorganets Planck-teleskop frigitt, som viser det høyeste presisjonsbildet av CMB ennå. Forskere avdekket et annet mysterium med denne informasjonen: Svingninger i CMB ved store vinkelskalaer stemte ikke overens med spådommer. Planck bekreftet også hva WMAP så når det gjelder asymmetrien og det kalde stedet. Plancks endelige datautgivelse i 2018 (oppdraget operert mellom 2009 og 2013) viste mer bevis på at mørk materie og mørk energi - mystiske krefter som sannsynligvis ligger bak akselerasjonen av universet - ser ut til å eksistere.
Andre forskningsinnsatser har forsøkt å se på forskjellige aspekter ved CMB. Den ene er å bestemme typer polarisering kalt E-modi (oppdaget av det Antarktis-baserte graden angular scale interferometer i 2002) og B-modus. B-modus kan produseres fra gravitasjonslinsering av E-modus (denne linse ble først sett av South Pole Telescope i 2013) og gravitasjonsbølger (som ble først observert i 2016 ved bruk av Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO). I 2014 ble det antarktiske baserte BICEP2-instrumentet sagt å ha funnet B-modus for gravitasjonsbølger, men videre observasjon (inkludert arbeid fra Planck) viste at disse resultatene skyldtes kosmisk støv.
Fra midten av 2018 leter forskere fortsatt etter signalet som viste en kort periode med rask universutvidelse like etter Big Bang. På den tiden ble universet større med en hastighet raskere enn lysets hastighet. Hvis dette skjedde, mistenker forskere at dette burde være synlig i CMB gjennom en form for polarisering. En studie det året antydet at en glød fra nanodiamonds skaper et svakt, men tydelig, lys som forstyrrer kosmiske observasjoner. Nå som denne glødet er redegjort for, kan fremtidige undersøkelser fjerne den for bedre å se etter den svake polarisasjonen i CMB, sa studieforfattere den gang.
Ytterligere ressurs
- NASA: Tests of Big Bang: CMB
