HVA ER DEN KOSMISKE MIKROBøLGEBAKGRUNNEN?

Send

I tusenvis av år har mennesket tenkt over universet og forsøkt å bestemme dets virkelige omfang. På 1900-tallet begynte forskere å forstå hvor enormt (og kanskje til og med uendelig) universet egentlig er.

Og i løpet av å se lenger ut i verdensrommet, og dypere tilbake i tid, har kosmologer oppdaget noen virkelig fantastiske ting. I løpet av 1960-årene ble astronomer for eksempel klar over mikrobølgebakgrunnen som var påvisbar i alle retninger. Denne strålingen er kjent som den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), og har bidratt til å informere vår forståelse av hvordan universet begynte.

Beskrivelse:

CMB er i hovedsak elektromagnetisk stråling som er til overs fra den tidligste kosmologiske epoken som gjennomsyrer hele universet. Det antas å ha dannet seg omtrent 380 000 år etter Big Bang og inneholder subtile indikasjoner på hvordan de første stjernene og galakser dannet seg. Mens denne strålingen er usynlig ved bruk av optiske teleskoper, er radioteleskoper i stand til å oppdage det svake signalet (eller gløden) som er sterkest i mikrobølgeregionen i radiospekteret.

CMB er synlig i en avstand på 13,8 milliarder lysår i alle retninger fra Jorden, noe som fører forskere til å bestemme at dette er universets sanne alder. Imidlertid er det ikke en indikasjon på universets virkelige omfang. Gitt at rommet har vært i en ekspansjonstilstand siden det tidlige universet (og ekspanderer raskere enn lysets hastighet), er CMB bare den lengste tilbake i tiden vi er i stand til å se.

Forholdet til Big Bang:

CMB er sentral i Big Bang Theory og moderne kosmologiske modeller (som Lambda-CDM-modellen). Som teorien går, da universet ble født for 13,8 milliarder år siden, ble all materie kondensert til et enkelt punkt med uendelig tetthet og ekstrem varme. På grunn av den ekstreme varmen og tettheten i materien, var universets tilstand svært ustabil. Plutselig begynte dette punktet å utvide seg, og universet slik vi kjenner det begynte.

På dette tidspunktet var rommet fylt med en jevn glød av hvite varme plasmapartikler - som besto av protoner, nøytroner, elektron og fotoner (lys). Mellom 380 000 og 150 millioner år etter Big Bang hadde fotonene stadig samspill med gratiselektroner og kunne ikke reise lange avstander. Derfor kalles denne epoken kalt "mørke aldre".

Da universet fortsatte å ekspandere, avkjølte det seg til det punktet der elektronene var i stand til å kombinere med protoner for å danne hydrogenatomer (også kalt rekombinasjonsperioden). I mangel av frie elektroner kunne fotonene bevege seg uhindret gjennom universet, og det begynte å vises som det gjør i dag (dvs. gjennomsiktig og gjennomsyret av lys). I løpet av de mellomliggende milliarder årene fortsatte universet å utvide seg og avkjølte seg kraftig.

På grunn av ekspansjonen av rommet vokste bølgelengdene til fotonene (ble ‘rødskiftet’) til omtrent 1 millimeter, og deres effektive temperatur falt til like over absolutt null - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Disse fotonene fyller Space Magazine og vises som en bakgrunnsglød som kan oppdages i fjerninfrarøde og radiobølgelengder.

Studiens historie:

Eksistensen av CMB ble først teoretisert av den ukrainsk-amerikanske fysikeren George Gamow, sammen med studentene hans, Ralph Alpher og Robert Herman, i 1948. Denne teorien var basert på deres studier av konsekvensene av nukleosyntesen av lette elementer (hydrogen, helium og litium) under det ganske tidlige universet. I hovedsak innså de at for å syntetisere kjernen i disse elementene, måtte det tidlige universet være ekstremt varmt.

De teoretiserte videre at reststrålingen fra denne ekstremt varme perioden ville gjennomsyre universet og ville være påviselig. På grunn av universets utvidelse, anslår de at denne bakgrunnsstrålingen ville ha en lav temperatur på 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - bare fem grader over absolutt null - som tilsvarer mikrobølgebølgelengder. Det var først i 1964 at det første beviset for CMB ble oppdaget.

Dette var resultatet av de amerikanske astronomene Arno Penzias og Robert Wilson som brukte Dicke radiometer, som de hadde tenkt å bruke til radioastronomi og satellittkommunikasjonseksperimenter. Når de utførte sin første måling, la de imidlertid merke til et overskudd av 4,2 K antenntemperatur som de ikke kunne redegjøre for og bare kunne forklares med tilstedeværelsen av bakgrunnsstråling. For sin oppdagelse ble Penzias og Wilson tildelt Nobelprisen i fysikk i 1978.

Opprinnelig var deteksjonen av CMB en kilde til strid mellom talsmenn for forskjellige kosmologiske teorier. Mens talsmenn for Big Bang Theory hevdet at dette var den "relikvie-strålingen" som ble igjen fra Big Bang, hevdet talsmenn for Steady State Theory at det var et resultat av spredt stjernelys fra fjerne galakser. På 1970-tallet hadde det imidlertid dukket opp en vitenskapelig enighet som favoriserte Big Bang-tolkningen.

I løpet av 1980-tallet satte bakkebaserte instrumenter stadig strengere grenser for temperaturforskjellene til CMB. Disse inkluderer det sovjetiske RELIKT-1-oppdraget ombord Prognoz 9-satellitten (som ble lansert i juli 1983) og NASA Cosmic Background Explorer (COBE) -oppdraget (som funnene ble publisert i 1992). For sitt arbeid mottok COBE-teamet Nobelprisen i fysikk i 2006.

COBE oppdaget også CMBs første akustiske topp, akustiske svingninger i plasmaet som tilsvarer storskala tetthetsvariasjoner i det tidlige universet skapt av gravitasjonsinstabiliteter. Mange eksperimenter fulgte det neste tiåret, som besto av bakke- og ballongbaserte eksperimenter, hvis formål var å gi mer nøyaktige målinger av den første akustiske toppen.

Den andre akustiske toppen ble foreløpig oppdaget av flere eksperimenter, men ble ikke oppdaget definitivt før Wilkinson Microbys Anisotropy Probe (WMAP) ble distribuert i 2001. Mellom 2001 og 2010, da oppdraget ble avsluttet, oppdaget WMAP også en tredje topp. Siden 2010 har flere oppdrag overvåket CMB for å gi forbedrede målinger av polarisering og småskala variasjoner i tetthet.

Disse inkluderer bakkebaserte teleskoper som QUEST på DASI (QUaD) og South Pole Telescope ved Amudsen-Scott South Pole Station, og Atacama Cosmology Telescope og Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) teleskop i Chile. I mellomtiden er det europeiske romfartsorganisasjonen Planck romskip fortsetter å måle CMB fra verdensrommet.

Framtiden for CMB:

I henhold til forskjellige kosmologiske teorier kan universet på et tidspunkt slutte å utvide seg og begynne å snu, og kulminere i en kollaps etterfulgt av en annen Big Bang - aka. Big Crunch-teorien. I et annet scenario, kjent som Big Rip, vil utvidelsen av universet til slutt føre til at all materie og selve romtiden blir revet fra hverandre.

Hvis ingen av disse scenariene er riktige, og universet fortsatte å utvide med en akselererende hastighet, vil CMB fortsette å forskyve seg til det punktet der det ikke lenger er påvisbart. På dette tidspunktet vil det bli overtent av det første stjernelyset som er opprettet i universet, og deretter av bakgrunnsstrålingsfelt produsert av prosesser som antas vil finne sted i fremtidens univers.

Vi har skrevet mange interessante artikler om den kosmiske mikrobølgebakgrunnen her på Space Magazine. Her er hva er den kosmiske mikrobølgebakgrunnen stråling ?, Big Bang Theory: Evolusjonen av universet vårt, hva var kosmisk inflasjon? Søken etter å forstå det tidligste universet, landemerkeoppdagelse: nye resultater gir direkte bevis for kosmisk inflasjon, og hvor raskt utvides universet? Hubble og Gaia samarbeider for å utføre de mest nøyaktige målingene til dags dato.

For mer informasjon, sjekk ut NASAs WMAP-oppdragsside og ESAs Planck-oppdragsside.

Astronomy Cast har også informasjon om emnet. Hør her: Episode 5 - The Big Bang and Cosmic Microwave Background

kilder: