VAD äR DEN KOSMISKA MIKROVåGSUGNBAKGRUNDEN?

Send

I tusentals år har människan funderat över universum och försökt bestämma dess riktiga omfattning. Vid 1900-talet började forskare förstå hur stort (och kanske till och med oändligt) universum egentligen är.

Och under loppet av att se längre ut i rymden och djupare tillbaka i tiden har kosmologer upptäckt några verkligt fantastiska saker. Under 1960-talet blev astronomer till exempel medvetna om mikrovågsbakgrundsstrålning som detekterades i alla riktningar. Känd som den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB) har existensen av denna strålning bidragit till att informera vår förståelse för hur universum började.

Beskrivning:

CMB är i huvudsak elektromagnetisk strålning som finns kvar från den tidigaste kosmologiska epok som genomsyrar hela universum. Det tros ha bildats cirka 380 000 år efter Big Bang och innehåller subtila indikationer på hur de första stjärnorna och galaxerna bildades. Medan denna strålning är osynlig med optiska teleskoper, kan radioteleskop detektera den svaga signalen (eller glöd) som är starkast i mikrovågsområdet i radiospektrumet.

CMB syns på ett avstånd av 13,8 miljarder ljusår i alla riktningar från jorden, vilket leder forskare att fastställa att det här är universums sanna ålder. Men det är inte en indikation på universums verkliga omfattning. Med tanke på att utrymmet har varit i ett tillstånd av expansion sedan det tidiga universum (och expanderar snabbare än ljusets hastighet), är CMB bara det längsta bakåt i tiden vi kan se.

Förhållande till Big Bang:

CMB är central för Big Bang-teorin och moderna kosmologiska modeller (som Lambda-CDM-modellen). När teorin går, när universum föddes för 13,8 miljarder år sedan, kondenserades all materia till en enda punkt med oändlig densitet och extrem värme. På grund av materiens extrema värme och densitet var universums tillstånd mycket instabilt. Plötsligt började denna punkt expandera, och universumet som vi känner till det började.

Vid denna tidpunkt fylldes utrymmet med en enhetlig glöd av vita heta plasmapartiklar - som bestod av protoner, neutroner, elektroner och fotoner (ljus). Mellan 380 000 och 150 miljoner år efter Big Bang interagerade fotonerna ständigt med fria elektroner och kunde inte resa långa avstånd. Därför hänvisas denna epok till "mörka åldrar".

När universum fortsatte att expandera kyldes det till den punkt där elektroner kunde kombinera med protoner för att bilda väteatomer (alias rekombinationsperioden). I avsaknad av fria elektroner kunde fotonerna röra sig obehindrat genom universum och det började se ut som det gör idag (d.v.s. genomskinligt och genomsyrat av ljus). Under de mellanliggande miljarder åren fortsatte universum att expandera och kyldes kraftigt.

På grund av utbyggnaden av rymden växte fotonernas våglängder (blev 'rödförskjutna') till ungefär 1 millimeter och deras effektiva temperatur sjönk till precis över absolut noll - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Dessa fotoner fyller Space Magazine och visas som en bakgrundsglöd som kan upptäckas i våglängderna för långt infraröd och radio.

Studiens historia:

Förekomsten av CMB teoretiserades först av den ukrainsk-amerikanska fysikern George Gamow, tillsammans med sina studenter, Ralph Alpher och Robert Herman, 1948. Denna teori baserades på deras studier av konsekvenserna av nukleosyntes av ljuselement (väte, helium och litium) under det mycket tidiga universum. I huvudsak insåg de att för att syntetisera kärnorna i dessa element måste det tidiga universumet vara extremt hett.

De teoretiserade vidare att reststrålningen från denna extremt heta period skulle genomsyra universum och skulle vara detekterbar. På grund av universums expansion, uppskattade de att denna bakgrundstrålning skulle ha en låg temperatur på 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - bara fem grader över absolut noll - vilket motsvarar mikrovåglängderna. Det var först 1964 som det första beviset för CMB upptäcktes.

Detta var resultatet av de amerikanska astronomerna Arno Penzias och Robert Wilson som använde Dicke-radiometern, som de hade tänkt använda för radioastronomi och satellitkommunikationsexperiment. När de genomförde sin första mätning märkte de emellertid ett överskott på 4,2 K antenntemperatur som de inte kunde redogöra för och endast kunde förklaras av närvaron av bakgrundsstrålning. För sin upptäckt tilldelades Penzias och Wilson Nobelpriset i fysik 1978.

Ursprungligen var upptäckten av CMB en källa till stridighet mellan förespråkare för olika kosmologiska teorier. Medan förespråkare för Big Bang-teorin hävdade att detta var den "relikstrålning" som återstod från Big Bang, hävdade förespråkare för Steady State Theory att det var resultatet av spridd stjärnbelysning från avlägsna galaxer. Vid 1970-talet hade emellertid ett vetenskapligt samförstånd framkommit som gynnade Big Bang-tolkningen.

Under 1980-talet placerade markbaserade instrument allt högre gränser för temperaturskillnaderna i CMB. Dessa inkluderade det sovjetiska RELIKT-1-uppdraget ombord på Prognoz 9-satelliten (som lanserades i juli 1983) och uppdraget från NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (vem som fynd publicerades 1992). För sitt arbete fick COBE-teamet Nobelpriset i fysik 2006.

COBE upptäckte också CMB: s första akustiska topp, akustiska svängningar i plasma, vilket motsvarar storskaliga densitetsvariationer i det tidiga universum som skapats av gravitationella instabiliteter. Många experiment följde under det kommande decenniet, som bestod av mark- och ballongbaserade experiment vars syfte var att tillhandahålla mer exakta mätningar av den första akustiska toppen.

Den andra akustiska toppen upptäcktes tentativt av flera experiment, men upptäcktes inte definitivt förrän Wilkinson Mikrovågsanisotropysonden (WMAP) distribuerades 2001. Mellan 2001 och 2010, när uppdraget avslutades, upptäckte WMAP också en tredje topp. Sedan 2010 har flera uppdrag övervakat CMB för att ge förbättrade mätningar av polarisationen och småskaliga variationer i densitet.

Dessa inkluderar markbaserade teleskoper som QUEST på DASI (QUaD) och South Pole Telescope vid Amudsen-Scott South Pole Station, och Atacama Cosmology Telescope och Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) teleskop i Chile. Samtidigt är Europeiska rymdorganisationen Planck rymdskepp fortsätter att mäta CMB från rymden.

Framtiden för CMB:

Enligt olika kosmologiska teorier kan universum vid någon tidpunkt upphöra att expandera och börja vända, och kulminera i en kollaps följt av en annan Big Bang - aka. Big Crunch-teorin. I ett annat scenario, känt som Big Rip, kommer utvidgningen av universum så småningom att leda till att all materia och rymdtiden i sig rivs isär.

Om ingen av dessa scenarier är korrekta, och universum fortsatte att expandera med en accelererande hastighet, kommer CMB att fortsätta att skiftas till den punkt där det inte längre är detekterbart. Vid denna tidpunkt kommer det att bli förbi av det första stjärnljuset som skapats i universum, och sedan av bakgrundstrålningsfält som produceras av processer som antas kommer att äga rum i universums framtid.

Vi har skrivit många intressanta artiklar om kosmisk mikrovågsugnbakgrund här på Space Magazine. Här är vad är den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen ?, Big Bang Theory: Evolution of our Universe, What was Cosmic Inflation? Strävan att förstå det tidigaste universum, landmärkeupptäckt: nya resultat ger direkt bevis för kosmisk inflation och hur snabbt expanderar universum? Hubble och Gaia samarbetar för att utföra de mest exakta mätningarna hittills.

För mer information, kolla in NASA: s WMAP-uppdragssida och ESA: s Planck-uppdragssida.

Astronomy Cast har också information om ämnet. Lyssna här: Avsnitt 5 - The Big Bang and Cosmic Mikrovågsugnbakgrund

källor: