Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je považováno za zbytkové záření z Velkého třesku nebo z doby, kdy vesmír začal. Teorie pokračuje: když se vesmír narodil, prošel rychlou inflací a expanzí. (Vesmír se dnes stále rozšiřuje a míra expanze se liší podle toho, kam se díváte). CMB představuje teplo, které zbylo z Velkého třesku.
CMB nevidíte pouhým okem, ale je všude ve vesmíru. Je neviditelný lidé, protože je tak chladno, jen 2,725 stupně nad absolutní nulou (minus 459,67 stupňů Fahrenheita nebo minus 273,15 stupňů Celsia). To znamená, že jeho záření je nejviditelnější v mikrovlnné části elektromagnetického spektra.
Původy a objev
Vesmír začal před 13,8 miliardami let a CMB se datuje zhruba 400 000 let po Velkém třesku. Je to proto, že v raných fázích vesmíru, kdy to bylo jen sto -miliontá velikost, jaká je dnes, její teplota byla extrémní: 273 milionů stupňů nad absolutní nulou, podle NASA.
Všechny atomy přítomné v té době byly rychle rozděleny na malé částice (protony a elektrony). Záření z CMB ve fotonech (částice představující kvanta světla nebo jiné záření) bylo rozptýleno mimo elektrony. „Fotony tak putovaly časným vesmírem, stejně jako optické světlo putuje hustou mlhou,“ napsala NASA.
Asi 380 000 let po Velkém třesku byl vesmír dostatečně chladný, aby se mohl tvořit vodík. Vzhledem k tomu, že fotony CMB jsou sotva ovlivněny dopadem vodíku, fotony cestují přímými liniemi. Kosmologové označují „povrch posledního rozptylu“, když CMB fotony naposledy zasáhly hmotu; poté byl vesmír příliš velký. Když tedy mapujeme CMB, díváme se zpět v čase na 380 000 let po Velkém třesku, těsně poté, co byl vesmír neprůhledný vůči záření.
Nejprve předpověděl americký kosmolog Ralph Apher CMB v roce 1948, kdy podle NASA pracoval s Robertem Hermanem a Georgem Gamowem. Tým prováděl výzkum týkající se nukleosyntézy Velkého třesku nebo produkce prvků ve vesmíru kromě nejlehčího izotopu (typu) vodíku. Tento typ vodíku byl vytvořen velmi brzy v historii vesmíru.
Ale CMB byl poprvé nalezen náhodou. V roce 1965 vytvořili dva vědci z Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias a Robert Wilson) rádiový přijímač a byli zmateni hlukem, který zachytával. Brzy si uvědomili, že hluk vychází jednotně z celé oblohy. Současně se tým na Princetonské univerzitě (vedený Robertem Dickem) pokoušel najít CMB. Dickův tým dostal vítr experimentu Bell a uvědomil si, že CMB byla nalezena.
Oba týmy rychle publikovaly příspěvky v Astrophysical Journal v roce 1965, kdy Penzias a Wilson hovořili o tom, co viděli, a Dickeho tým vysvětlil, co to znamená v kontextu vesmíru. (Později Penzias a Wilson oba obdrželi Nobelovu cenu za fyziku z roku 1978).
Podrobnější studium
CMB je pro vědce užitečná, protože nám pomáhá zjistit, jak vznikl raný vesmír. stejnoměrná teplota pouze s malými výkyvy viditelnými přesnými dalekohledy. „Studiem těchto výkyvů se kosmologové mohou dozvědět o původu galaxií a rozsáhlých strukturách galaxií a mohou měřit základní parametry teorie velkého třesku,“ napsala NASA.
Zatímco části CMB byly mapovány v následujících desetiletích po objevu, první vesmírná mapa na celém obloze pocházela z mise NASA Cosmic Background Explorer (COBE), která byla zahájena v roce 1989 a přestala vědecké operace v roce 1993. Tento „dětský obraz“ vesmíru, jako N ASA tomu říká, potvrdila předpovědi teorie velkého třesku a také ukázala náznaky kosmické struktury, které dříve nebyly vidět. V roce 2006 byla Nobelova cena za fyziku udělena vědcům COBE Johnovi Matherovi z NASA Goddard Space Flight Center a George Smootovi z University of California v Berkeley.
Podrobnější mapa přišla v roce 2003 s laskavým svolením Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), která byla zahájena v červnu 2001 a přestala sbírat vědu data v roce 2010. První obrázek určil věk vesmíru na 13,7 miliard let (měření se od té doby zjemnilo na 13,8 miliard let) a odhalil také překvapení: nejstarší hvězdy začaly zářit asi 200 milionů let po Velkém třesku, mnohem dříve než předpovězeno.
Vědci na tyto výsledky navázali studiem velmi raných fází inflace vesmíru (v bilionté vteřině po vzniku) a poskytnutím přesnějších parametrů hustoty atomů, hrudkovitosti vesmíru a dalších vlastností vesmíru krátce po jeho zformování. Viděli také podivnou asymetrii průměrných teplot v obou hemisférách oblohy a „chladné místo“, které bylo větší, než se očekávalo. Tým WMAP získal za svou práci Průlomovou cenu za základní fyziku za rok 2018.
V roce 2013 byla vydána data z Planckova vesmírného dalekohledu Evropské vesmírné agentury, která ukazuje dosud nejpřesnější obraz CMB. Vědci odhalil další tajemství s touto informací: Kolísání CMB ve velkých úhlových měřítcích neodpovídalo předpovědím. Planck také potvrdil to, co WMAP viděl, pokud jde o asymetrii a chladné místo. Planckovo finální vydání dat v roce 2018 (mise fungovala v letech 2009 a 2013) ukázal více důkazů, že temná hmota a temná energie – záhadné síly, které pravděpodobně stojí za zrychlením vesmíru – se zdají existovat.
Další výzkumná úsilí se pokusila podívat se na různé aspekty CMB. Jedním z nich je určování typů polarizace zvaných E-módy (objevené Antarktidou založeným interferometrem s úhlovou stupnicí v roce 2002) a B-módy. B-režimy lze vyrobit z gravitačních čoček E-režimů (tato čočka byla poprvé spatřena teleskopem jižního pólu v roce 2013) a gravitačních vln (které byly poprvé pozorovány v roce 2016 pomocí observatoře gravitačních vln Advanced Laser Interferometer nebo LIGO). V roce 2014 se říká, že antarktický nástroj BICEP2 našel B-režimy gravitačních vln, ale další pozorování (včetně práce Planck) ukázalo, že tyto výsledky byly způsobeny kosmickým prachem.
V polovině roku 2018 , vědci stále hledají signál, který krátce po Velkém třesku ukázal krátké období rychlého rozpínání vesmíru. V té době se vesmír zvětšoval rychlostí vyšší, než byla rychlost světla. Pokud k tomu dojde, vědci mají podezření, že by to mělo být v CMB viditelné prostřednictvím formy polarizace. Studie z toho roku naznačila, že záře nanodiamantů vytváří slabé, ale rozeznatelné světlo, které interferuje s kosmickými pozorováními. Nyní, když je tato záře započítána, budoucí výzkumy by ji mohly odstranit, aby lépe hledala slabou polarizaci v CMB, uvedli v té době autoři studie.