HVAD ER DEN KOSMISKE MIKROOVNBAGGRUND?

Send

I tusinder af år har mennesket overvejet universet og forsøgt at bestemme dets virkelige omfang. I det 20. århundrede begyndte forskere at forstå, hvor stort (og måske endda uendeligt) universet virkelig er.

Og i løbet af at se længere ud i rummet og dybere tilbage i tiden har kosmologer opdaget nogle virkelig fantastiske ting. I 1960'erne blev astronomer for eksempel opmærksomme på mikrobølgebaggrundsstråling, som var detekterbar i alle retninger. Kendt som den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) har eksistensen af denne stråling bidraget til at informere vores forståelse af, hvordan universet begyndte.

Beskrivelse:

CMB er i det væsentlige elektromagnetisk stråling, der er tilbage fra den tidligste kosmologiske epoke, der gennemsyrer hele universet. Det antages at have dannet sig omkring 380.000 år efter Big Bang og indeholder subtile indikationer på, hvordan de første stjerner og galakser dannede sig. Mens denne stråling er usynlig ved hjælp af optiske teleskoper, er radioteleskoper i stand til at registrere det svage signal (eller glød), der er stærkest i mikrobølgeregionen i radiospektret.

CMB er synlig i en afstand af 13,8 milliarder lysår i alle retninger fra Jorden, hvilket fører forskere til at bestemme, at dette er universets sande alder. Det er dog ikke en indikation af universets virkelige omfang. I betragtning af at rummet har været i en ekspansionstilstand lige siden det tidlige univers (og ekspanderer hurtigere end lysets hastighed), er CMB blot det længste tilbage i tiden, vi er i stand til at se.

Forhold til Big Bang:

CMB er centralt i Big Bang-teorien og moderne kosmologiske modeller (såsom Lambda-CDM-modellen). Som teorien går, da universet blev født for 13,8 milliarder år siden, blev alt stof kondenseret til et enkelt punkt med uendelig tæthed og ekstrem varme. På grund af den ekstreme varme og densitet af stof, var universets tilstand meget ustabil. Pludselig begyndte dette punkt at udvide sig, og universet, som vi kender det, begyndte.

På dette tidspunkt blev rummet fyldt med en ensartet glød af hvide-varme plasmapartikler - som bestod af protoner, neutroner, elektroner og fotoner (lys). Mellem 380.000 og 150 millioner år efter Big Bang interagerede fotonerne konstant med frie elektroner og kunne ikke rejse lange afstande. Derfor kaldes denne epoke kaldet "mørke aldre".

Da universet fortsatte med at udvide sig, afkøles det til det punkt, hvor elektroner var i stand til at kombinere med protoner til dannelse af brintatomer (også kendt som rekombinationsperioden). I fravær af frie elektroner kunne fotonerne bevæge sig uhindret gennem universet, og det begyndte at se ud, som det gør i dag (dvs. gennemsigtigt og gennemsyret af lys). I løbet af de mellemliggende milliarder af år fortsatte universet med at ekspandere og afkøles meget.

På grund af pladsudvidelsen voksede fotonernes bølgelængder (blev 'rødskiftet') til ca. 1 millimeter, og deres effektive temperatur faldt til lige over absolut nul - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Disse fotoner fylder Space Magazine og vises som en baggrundsglød, der kan detekteres i fjern-infrarøde og radiobølgelængder.

Studiens historie:

Eksistensen af CMB blev først teoretiseret af den ukrainsk-amerikanske fysiker George Gamow sammen med sine studerende, Ralph Alpher og Robert Herman, i 1948. Denne teori var baseret på deres studier af konsekvenserne af nukleosyntesen af lette elementer (brint, helium og lithium) under det meget tidlige univers. I det væsentlige indså de, at for at syntetisere kernerne i disse elementer, var det tidlige univers nødvendigt at være ekstremt varmt.

De teoretiserede yderligere, at den resterende stråling fra denne ekstremt varme periode ville gennemsyre universet og ville være detekterbar. På grund af universets udvidelse vurderede de, at denne baggrundsstråling ville have en lav temperatur på 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - kun fem grader over absolut nul - hvilket svarer til mikrobølgebølgelængder. Først i 1964 blev det første bevis for CMB fundet.

Dette var resultatet af de amerikanske astronomer Arno Penzias og Robert Wilson ved hjælp af Dicke-radiometer, som de havde til hensigt at bruge til radioastronomi og satellitkommunikationseksperimenter. Når de udførte deres første måling, bemærkede de imidlertid et overskud på 4,2 K antenntemperatur, som de ikke kunne redegøre for og kun kunne forklares med tilstedeværelsen af baggrundsstråling. For deres opdagelse blev Penzias og Wilson tildelt Nobelprisen i fysik i 1978.

Oprindeligt var detekteringen af CMB en kilde til strid mellem fortalere for forskellige kosmologiske teorier. Mens fortalere for Big Bang-teorien hævdede, at dette var den "relikvie-stråling", der blev tilbage fra Big Bang, argumenterede fortalere for Steady State Theory, at det var resultatet af spredt stjernelys fra fjerne galakser. I 1970'erne var der imidlertid kommet en videnskabelig konsensus, der favoriserede Big Bang-fortolkningen.

I løbet af 1980'erne satte jordbaserede instrumenter stadig strengere grænser for CMB's temperaturforskelle. Disse omfattede den sovjetiske RELIKT-1-mission ombord på Prognoz 9-satellitten (som blev lanceret i juli 1983) og NASA Cosmic Background Explorer (COBE) -missionen (hvem der blev offentliggjort i 1992). For deres arbejde modtog COBE-teamet Nobelprisen i fysik i 2006.

COBE opdagede også CMBs første akustiske top, akustiske svingninger i plasmaet, hvilket svarer til storskala densitetsvariationer i det tidlige univers skabt af tyngdeinstabiliteter. Mange eksperimenter fulgte i løbet af det næste årti, der bestod af jord- og ballonbaserede eksperimenter, hvis formål var at tilvejebringe mere nøjagtige målinger af den første akustiske top.

Den anden akustiske top blev tentativt opdaget ved flere eksperimenter, men blev ikke definitivt detekteret, før Wilkinson Microbølgeovn Anisotropy Probe (WMAP) blev indsat i 2001. Mellem 2001 og 2010, da missionen blev afsluttet, opdagede WMAP også en tredje top. Siden 2010 har flere missioner overvåget CMB for at tilvejebringe forbedrede målinger af polarisationen og variationer i densitet i mindre skala.

Disse inkluderer jordbaserede teleskoper som QUEST ved 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 mellemtiden er det europæiske rumfartsagentur Planck rumfartøj fortsætter med at måle CMB fra rummet.

CMB's fremtid:

I henhold til forskellige kosmologiske teorier kan universet på et tidspunkt ophøre med at udvide sig og begynde at vende, og kulminere i et sammenbrud efterfulgt af en anden Big Bang - alias. Big Crunch-teorien. I et andet scenarie, kendt som Big Rip, vil udvidelsen af universet til sidst føre til, at al materie og selve rumtiden bliver revet i stykker.

Hvis ingen af disse scenarier er korrekte, og universet fortsatte med at udvide med en accelererende hastighed, fortsætter CMB med at skifte til det punkt, hvor det ikke længere er detekterbart. På dette tidspunkt vil det blive overhalet af den første stjernelys skabt i universet, og derefter af baggrundstrålingsfelter produceret af processer, der antages at finde sted i universets fremtid.

Vi har skrevet mange interessante artikler om den kosmiske mikrobølgebakgrund her på Space Magazine. Her er hvad er den kosmiske mikroovnbaggrundstråling ?, Big Bang-teorien: Udviklingen af vores univers, hvad var den kosmiske inflation? Quest for at forstå det tidligste univers, landemærkeopdagelse: nye resultater giver direkte bevis for kosmisk inflation, og hvor hurtig ekspanderer universet? Hubble og Gaia går op for at gennemføre de mest nøjagtige målinger til dato.

For mere information, se NASAs WMAP-missionsside og ESAs Planck-missionsside.

Astronomy Cast har også information om emnet. Lyt her: Afsnit 5 - Big Bang og kosmisk mikrobølgeovnbaggrund

Kilder: