En bild av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, tagen av European Space Agency (ESA): s Planck-satellit 2013, visar de små variationerna över himlen
(Bild: © ESA / Planck Collaboration)
Den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) tros vara reststrålning från Big Bang, eller tiden då universum började. Som teorin går, genomgick universum en snabb inflation och expansion när universum föddes. (Universumet expanderar fortfarande idag och expansionshastigheten verkar annorlunda beroende på var du tittar). CMB representerar värmen som finns kvar från Big Bang.
Du kan inte se CMB med ditt blotta öga, men det finns överallt i universum. Det är osynligt för människor eftersom det är så kallt, bara 2,725 grader över absolut noll (minus 459,67 grader Fahrenheit, eller minus 273,15 grader Celsius.) Detta betyder att strålningen är mest synlig i mikrovågsdelen av det elektromagnetiska spektrumet.
Ursprung och upptäckt
Universum började för 13,8 miljarder år sedan, och CMB går tillbaka till cirka 400 000 år efter Big Bang. Det beror på att i de tidiga stadierna av universum, när den bara var hundra miljoner så stor som den är idag, var temperaturen extrem: 273 miljoner grader ovan absolut noll, enligt NASA.
Alla atomer som var närvarande vid den tiden bryts snabbt upp i små partiklar (protoner och elektroner). Strålningen från CMB i fotoner (partiklar som representerar kvantiteter av ljus, eller annan strålning) spriddes från elektronerna. "Således vandrade fotoner genom det tidiga universum, precis som optiskt ljus vandrar genom en tät dimma," skrev NASA.
Cirka 380 000 år efter Big Bang var universum svalt att väte kunde bildas. Eftersom CMB-fotonerna knappast påverkas av träffande väte, rör sig fotonerna i raka linjer. Kosmologer hänvisar till en "yta av sista spridning" när CMB-fotonerna senast träffade materia; efter det var universumet för stort. Så när vi kartlägger CMB ser vi tillbaka i tiden till 380 000 år efter Big Bang, precis efter att universum var opak för strålning.
Den amerikanska kosmologen Ralph Apher förutspådde först CMB 1948, då han gjorde arbete med Robert Herman och George Gamow, enligt NASA. Teamet gjorde forskning relaterad till Big Bang-nukleosyntes eller produktion av element i universum förutom den lättaste isotopen (typen) av väte. Denna typ av väte skapades mycket tidigt i universums historia.
Men CMB hittades först av misstag. 1965 skapade två forskare med Bell Phone Laboratories (Arno Penzias och Robert Wilson) en radiomottagare och blev förbryllade över det ljud som det tog upp. De insåg snart att bruset kom enhetligt från hela himlen. Samtidigt försökte ett team vid Princeton University (under ledning av Robert Dicke) hitta CMB. Dickes team fick vind i Bell-experimentet och insåg att CMB hade hittats.
Båda lagen publicerade snabbt artiklar i Astrophysical Journal 1965, med Penzias och Wilson som talade om vad de såg, och Dickes team förklarade vad det innebär i universums sammanhang. (Senare fick Penzias och Wilson båda 1978 Nobelpriset i fysik).
Lär dig mer i detalj
CMB är användbart för forskare eftersom det hjälper oss att lära oss hur det tidiga universum bildades. Det är vid en enhetlig temperatur med endast små fluktuationer synliga med exakta teleskop. "Genom att studera dessa fluktuationer kan kosmologer lära sig om galaxernas och storskaliga strukturer av galaxer och de kan mäta de grundläggande parametrarna för Big Bang-teorin," skrev NASA.
Medan delar av CMB kartlades under de följande decennierna efter dess upptäckt, kom den första rymdbaserade kartan med full himmel från NASA: s uppdrag Cosmic Background Explorer (COBE), som lanserades 1989 och upphörde med vetenskapliga operationer 1993. Denna "baby-bild ”Av universum, som NASA kallar det, bekräftade Big Bang-teoriförutsägelser och visade också antydningar om kosmisk struktur som inte sågs tidigare. 2006 delades Nobelpriset i fysik ut till COBE-forskarna John Mather vid NASA Goddard Space Flight Center och George Smoot vid University of California, Berkeley.
En mer detaljerad karta kom 2003 med tillstånd av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), som lanserades i juni 2001 och slutade samla in vetenskapliga data 2010. Den första bilden fixade universumets ålder vid 13,7 miljarder år (en mätning sedan förfinad till 13,8 miljarder år) och avslöjade också en överraskning: de äldsta stjärnorna började lysa ungefär 200 miljoner år efter Big Bang, långt tidigare än förutsagt.
Forskare följde upp dessa resultat genom att studera de mycket tidiga inflationsstadierna i universum (i den trillionde sekunden efter bildandet) och genom att ge mer exakta parametrar för atomtätheten, universums klumpighet och andra egenskaper hos universum kort efter det bildades. De såg också en konstig asymmetri i medeltemperaturer i båda himmelkulorna och en "kall plats" som var större än väntat. WMAP-teamet fick genombrottpriset 2018 i grundläggande fysik för sitt arbete.
2013 släpptes data från Europeiska rymdorganisationens rymdteleskop Planck som visar den högsta precisionen på CMB ännu. Forskare upptäckte ett annat mysterium med denna information: Fluktuationer i CMB vid stora vinkelskalor matchade inte förutsägelser. Planck bekräftade också vad WMAP såg när det gäller asymmetri och kall plats. Plancks slutliga datalagring 2018 (uppdraget som drivs mellan 2009 och 2013) visade mer bevis på att mörk materia och mörk energi - mystiska krafter som troligen ligger bakom universums acceleration - verkar existera.
Andra forskningsinsatser har försökt titta på olika aspekter av CMB. Den ena är att bestämma typer av polarisering som kallas E-lägen (upptäckt av den Antarktisbaserade graden vinkelskalainterferometer 2002) och B-lägen. B-lägen kan produceras från gravitationslinsning av E-lägen (denna linsning sågs först av South Pole Telescope 2013) och gravitationsvågor (som först observerades 2016 med hjälp av Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO). 2014 sades det Antarktisbaserade BICEP2-instrumentet ha hittat gravitationsvåg B-lägen, men ytterligare observationer (inklusive arbete från Planck) visade att dessa resultat berodde på kosmiskt damm.
I mitten av 2018 letar forskare fortfarande efter signalen som visade en kort period av snabb universumutvidgning kort efter Big Bang. Vid den tiden blev universum större med en hastighet snabbare än ljusets hastighet. Om detta hände misstänker forskare att detta borde vara synligt i CMB genom en form av polarisering. En studie samma år föreslog att en glöd från nanodiamonds skapar ett svagt, men tydligt ljus som stör den kosmiska observationerna. Nu när denna glöd redovisas, kan framtida undersökningar ta bort den för att bättre leta efter den svaga polarisationen i CMB, sade studieförfattare vid den tiden.
Ytterligare resurs
- NASA: Tests of Big Bang: The CMB
