Den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) menes at være reststråling fra Big Bang eller det tidspunkt, hvor universet begyndte. Som teorien siger, gennemgik det, da universet blev født, en hurtig inflation og ekspansion. (Universet ekspanderer stadig i dag, og ekspansionshastigheden ser anderledes ud, afhængigt af hvor du kigger). CMB repræsenterer varmen, 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, kun 2,725 grader over absolut nul (minus 459,67 grader Fahrenheit eller minus 273,15 grader Celsius.) Dette betyder, at dets stråling er mest synlig i mikrobølgedelen af det elektromagnetiske spektrum.
Oprindelse og opdagelse
Universet begyndte for 13,8 milliarder år siden, og CMB går tilbage til omkring 400.000 år efter Big Bang. Det skyldes, at i de tidlige faser af universet, da det bare var hundrede -millionth den størrelse, den er i dag, temperaturen var ekstrem: 273 millioner grader over absolut nul, ifølge NASA.
Eventuelle atomer, der var til stede på det tidspunkt, blev hurtigt opdelt i små partikler (protoner og elektroner). Strålingen fra CMB i fotoner (partikler, der repræsenterer lyskvantum eller anden stråling) blev spredt ud af 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. Fordi CMB-fotoner næppe påvirkes af at ramme brint, bevæger fotonerne sig i lige linjer. Kosmologer henviser til en “overflade af sidste spredning”, når CMB-fotoner sidst ramte stof; derefter 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.
Amerikansk kosmolog Ralph Apher forudsagde først CMB i 1948, da han arbejdede sammen med Robert Herman og George Gamow, ifølge NASA. Holdet forskede i forbindelse med Big Bang-nukleosyntese eller produktionen af grundstoffer i universet udover 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 oprettede to forskere med Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias og Robert Wilson) en radiomodtager og var forvirrede af den støj, det tog op. De indså hurtigt, at støjen kom ensartet fra hele himlen. På samme tid forsøgte et hold ved Princeton University (ledet af Robert Dicke) at finde CMB. Dickes hold fik vind af Bell-eksperimentet og indså, at CMB var fundet.
Begge hold offentliggjorde hurtigt papirer i Astrophysical Journal i 1965, hvor Penzias og Wilson talte om, hvad de så, og Dickes team forklarede, hvad det betyder i sammenhæng med universet. (Senere Penzias og Wilson modtog begge Nobelprisen i fysik i 1978).
At studere mere detaljeret
CMB er nyttig for forskere, fordi det hjælper os med at lære, hvordan det tidlige univers blev dannet. Det er ved en ensartet temperatur med kun små udsving, der er synlige med præcise teleskoper. “Ved at studere disse udsving kan kosmologer lære om oprindelsen af galakser og store strukturer af galakser, og de kan måle de grundlæggende parametre i Big Bang teorien,” skrev NASA.
Mens dele af CMB blev kortlagt i de efterfølgende årtier efter opdagelsen, kom det første rumbaserede fuld-sky-kort fra NASAs Cosmic Background Explorer (COBE) mission, som blev lanceret i 1989 og ophørte videnskabelige operationer i 1993. Dette “babybillede” af universet, som N ASA kalder det, bekræftede forudsigelser af Big Bang-teorier 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 til Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), som blev lanceret i juni 2001 og stoppede med at indsamle videnskab data i 2010. Det første billede knyttede universets alder til 13,7 milliarder år (en måling siden raffineret 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 inflationstrin i universet (i trillionth sekund efter dannelsen) og ved at give mere præcise parametre for atomtæthed, universets klumpethed og andre egenskaber af universet kort efter det blev dannet. De så også en underlig asymmetri i gennemsnitstemperaturer på begge himmelkugler og et “koldt sted”, der var større end forventet. WMAP-teamet modtog gennembrudsprisen i 2018 for grundlæggende fysik for deres arbejde.
I 2013 blev data fra Den Europæiske Rumorganisations Planck-rumteleskop frigivet, der viser det højeste præcisionsbillede af CMB endnu. Forskere afsløret endnu et mysterium med disse oplysninger: Svingninger i CMB i store vinkelskalaer matchede ikke forudsigelser. Planck bekræftede også, hvad WMAP så med hensyn til asymmetri og koldt punkt. Plancks endelige datafrigivelse i 2018 (missionen opererede mellem 2009 og 2013) viste mere bevis for, at mørk materie og mørk energi – mystiske kræfter, der sandsynligvis er bag universets acceleration – synes at eksistere.
Andre forskningsindsatser har forsøgt at se på forskellige aspekter af CMB. Den ene er bestemmelse af typer af polarisering kaldet E-modes (opdaget af det Antarktis-baserede Grad Angular Scale Interferometer i 2002) og B-modes. B-tilstande kan produceres ud fra gravitationslinser af E-tilstande (denne linse blev først set af Sydpolsteleskopet i 2013) og tyngdekraftsbølger (som først blev observeret i 2016 ved hjælp af Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory eller LIGO). I 2014 blev det antarktisbaserede BICEP2-instrument siget at have fundet gravitationsbølge B-tilstande, men yderligere observation (inklusive arbejde fra Planck) viste, at disse resultater skyldtes kosmisk støv.
Fra midten af 2018 , forskere er stadig på udkig efter signalet, der viste en kort periode med hurtig universudvidelse kort efter Big Bang. På det tidspunkt blev universet større med en hastighed hurtigere end lysets hastighed. Hvis dette skete, har forskere mistanke om, at dette skal være synligt i CMB gennem en form for polarisering. En undersøgelse det år antydede, at en glød fra nanodiamanter skaber et svagt, men synligt lys, der interfererer med kosmiske observationer. Nu hvor denne glød tages højde for, kunne fremtidige undersøgelser fjerne den for bedre at se efter den svage polarisering i CMB, sagde forfatterne på det tidspunkt.