Et billede af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, taget af Det Europæiske Rumorganisations (ESA) 's Planck-satellit i 2013, viser de små variationer over himlen
(Billede: © ESA / Planck Collaboration)
Den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) menes at være reststråling fra Big Bang eller det tidspunkt, hvor universet begyndte. Som teorien går, gennemgik universet en hurtig inflation og ekspansion, da universet blev født. (Universet udvides stadig i dag, og ekspansionshastigheden ser anderledes ud, afhængigt af hvor du ser). CMB repræsenterer den varme, der er tilbage fra Big Bang.
Du kan ikke se CMB med dit blotte øje, men det er overalt i universet. Det er usynligt for mennesker, fordi det er så koldt, bare 2,725 grader over absolut nul (minus 459,67 grader Fahrenheit eller minus 273,15 grader celsius.) Dette betyder, at dens stråling er mest synlig i mikrobølgedelen af det elektromagnetiske spektrum.
Oprindelse og opdagelse
Universet begyndte for 13,8 milliarder år siden, og CMB stammer tilbage til omkring 400.000 år efter Big Bang. Det skyldes, at i de tidlige stadier af universet, da det bare var en hundrede millionedel af den størrelse, det er i dag, var temperaturen ekstrem: 273 millioner grader over absolut nul ifølge NASA.
Eventuelle atomer, der var til stede på det tidspunkt, blev hurtigt brudt op i små partikler (protoner og elektroner). Strålingen fra CMB i fotoner (partikler, der repræsenterer kvantiteter af lys eller anden stråling), var spredt fra elektronerne. "Således vandrede fotoner gennem det tidlige univers, ligesom optisk lys vandrer gennem en tæt tåge," skrev NASA.
Cirka 380.000 år efter Big Bang var universet køligt nok til at brint kunne dannes. Da CMB-fotonerne næppe påvirkes af at ramme brint, bevæger fotonerne sig i lige linjer. Kosmologer henviser til en "overflade af sidste spredning", når CMB-fotonerne sidst ramte stof; efter dette var universet for stort. Så når vi kortlægger CMB, ser vi tilbage i tiden til 380.000 år efter Big Bang, lige efter at universet var uigennemsigtigt for stråling.
Den amerikanske kosmolog Ralph Apher forudsagde først CMB i 1948, da han udførte arbejde med Robert Herman og George Gamow, ifølge NASA. Holdet forskede i forbindelse med Big Bang-nukleosyntesen eller produktionen af elementer i universet foruden den letteste isotop (type) brint. Denne type brint blev skabt meget tidligt i universets historie.
Men CMB blev først fundet ved et uheld. I 1965 skabte to forskere med Bell Phone Laboratories (Arno Penzias og Robert Wilson) en radiomodtager og blev forundrede over den støj, den tog op. De indså snart, at støjen kom ensartet fra hele himlen. På samme tid forsøgte et team på Princeton University (ledet af Robert Dicke) at finde CMB. Dickes team fik blæst på Bell-eksperimentet og indså, at CMB var fundet.
Begge hold offentliggjorde hurtigt artikler i Astrophysical Journal i 1965, hvor Penzias og Wilson talte om, hvad de så, og Dickes team forklarede, hvad det betyder i universets sammenhæng. (Senere modtog Penzias og Wilson begge Nobelprisen i fysik i 1978).
Studerer mere detaljeret
CMB er nyttig for forskere, fordi det hjælper os med at lære, hvordan det tidlige univers blev dannet. Det har en ensartet temperatur med kun små udsving synlige med præcise teleskoper. "Ved at studere disse udsving kan kosmologer lære om galaksernes oprindelse og galakser i stor skala, og de kan måle de grundlæggende parametre for Big Bang-teorien," skrev NASA.
Mens dele af CMB blev kortlagt i de efterfølgende årtier efter opdagelsen, kom det første rumbaserede fuldhimmelkort fra NASAs Cosmic Background Explorer (COBE) -mission, der blev lanceret i 1989 og ophørte med videnskabsoperationer i 1993. Dette “babybillede” ”Af universet, som NASA kalder det, bekræftede Big Bang-teoriforudsigelser og viste også antydninger til kosmisk struktur, der ikke blev set før. I 2006 blev Nobelprisen i fysik tildelt COBE-forskere John Mather ved NASA Goddard Space Flight Center og George Smoot ved University of California, Berkeley.
Et mere detaljeret kort kom i 2003 med tilladelse fra Wilkinson Microbys Anisotropy Probe (WMAP), der blev lanceret i juni 2001 og stoppede med at indsamle videnskabelige data i 2010. Det første billede bundede universets alder til 13,7 milliarder år (en måling siden forbedret til 13,8 milliarder år) og afslørede også en overraskelse: de ældste stjerner begyndte at skinne omkring 200 millioner år efter Big Bang, langt tidligere end forudsagt.
Forskere fulgte disse resultater op ved at studere de meget tidlige inflationsstadier i universet (i den trillionth sekund efter dannelsen) og ved at give mere præcise parametre om atomdensitet, universets klumphed og andre egenskaber ved universet kort efter det blev dannet. De så også en mærkelig asymmetri i gennemsnitstemperaturer i begge halvkugler på himlen og et "koldt sted", der var større end forventet. WMAP-teamet modtog 2018 gennembrudspris i grundlæggende fysik for deres arbejde.
I 2013 blev data fra Det Europæiske Rumorganisations Planck-rumteleskop frigivet, der viser det højeste præcisionsbillede af CMB endnu. Forskere afslørede et andet mysterium med disse oplysninger: udsving i CMB ved store vinkelskalaer stemte ikke overens med forudsigelser. Planck bekræftede også, hvad WMAP så med hensyn til asymmetrien og det kolde sted. Plancks endelige frigivelse af data i 2018 (missionen opereret mellem 2009 og 2013) viste mere bevis på, at mørkt stof og mørk energi - mystiske kræfter, der sandsynligvis ligger bag universets acceleration - ser ud til at eksistere.
Anden forskningsindsats har forsøgt at se på forskellige aspekter af CMB. Den ene er at bestemme typer af polarisering kaldet E-tilstande (opdaget af det Antarktis-baserede gradningsvinkelinterferometer i 2002) og B-tilstande. B-tilstande kan produceres fra gravitationslinsering af E-tilstande (denne linse blev først set af Sydpoleteleskopet i 2013) og tyngdekraftsbølger (som først blev observeret i 2016 ved hjælp af Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO). I 2014 siges det antarktiske-baserede BICEP2-instrument at have fundet gravitationsbølger B-tilstande, men yderligere observation (inklusive arbejde fra Planck) viste, at disse resultater skyldtes kosmisk støv.
Fra midten af 2018 leder forskere stadig efter signalet, der viste en kort periode med hurtig universudvidelse kort efter Big Bang. På det tidspunkt blev universet større ved en hastighed hurtigere end lysets hastighed. Hvis dette skete, har forskere mistanke om, at dette skulle være synligt i CMB gennem en form for polarisering. En undersøgelse det år antydede, at en glød fra nanodiamonds skaber et svagt, men tydeligt lys, der forstyrrer kosmiske observationer. Nu hvor denne glød redegøres for, kunne fremtidige undersøgelser fjerne den for bedre at se efter den svage polarisering i CMB, sagde undersøgelsesforfattere på det tidspunkt.
Yderligere ressource
- NASA: Tests of Big Bang: CMB
