Es wird angenommen, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) übrig gebliebene Strahlung des Urknalls oder der Zeit ist, als das Universum begann. Wie die Theorie besagt, erlebte das Universum bei seiner Geburt eine rasche Inflation und Expansion. (Das Universum expandiert noch heute und die Expansionsrate erscheint je nachdem, wohin Sie schauen, unterschiedlich.) Das CMB repräsentiert die vom Urknall übrig gebliebene Wärme.
Sie können das CMB nicht mit bloßem Auge sehen, aber es ist überall im Universum. Es ist unsichtbar für Menschen, weil es so kalt ist, nur 2,725 Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius). Dies bedeutet, dass seine Strahlung im Mikrowellenteil des elektromagnetischen Spektrums am sichtbarsten ist.
Ursprung und Entdeckung
Das Universum begann vor 13,8 Milliarden Jahren, und der CMB geht auf etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall zurück. Das liegt daran, dass es in den frühen Stadien des Universums nur einhundert Jahre alt war -millionstel der heutigen Größe war seine Temperatur extrem: 273 Millionen Grad über dem absoluten Nullpunkt, so die NASA.
Zu diesem Zeitpunkt vorhandene Atome wurden schnell in kleine Teilchen (Protonen und Elektronen) zerlegt. Die Strahlung des CMB in Photonen (Teilchen, die Lichtquanten oder andere Strahlung darstellen) wurde von den Elektronen gestreut. „So wanderten Photonen durch das frühe Universum, genau wie optisches Licht durch einen dichten Nebel wandert“, schrieb die NASA.
Ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall war das Universum kühl genug, dass sich Wasserstoff bilden konnte. Da die CMB-Photonen durch das Auftreffen von Wasserstoff kaum beeinflusst werden, bewegen sich die Photonen in geraden Linien. Kosmologen beziehen sich auf eine „Oberfläche der letzten Streuung“, wenn die CMB-Photonen zuletzt auf Materie treffen; Danach war das Universum zu groß. Wenn wir also den CMB abbilden, blicken wir auf 380.000 Jahre nach dem Urknall zurück, kurz nachdem das Universum strahlungsundurchlässig war.
Der amerikanische Kosmologe Ralph Apher sagte dies zuerst voraus der CMB im Jahr 1948, als er laut NASA mit Robert Herman und George Gamow zusammenarbeitete. Das Team forschte im Zusammenhang mit der Urknall-Nukleosynthese oder der Produktion von Elementen im Universum neben dem leichtesten Isotop (Typ) von Wasserstoff. Diese Art von Wasserstoff wurde sehr früh in der Geschichte des Universums erzeugt.
Das CMB wurde jedoch erstmals zufällig gefunden. 1965 erstellten zwei Forscher der Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias und Robert Wilson) einen Funkempfänger und waren verwirrt Durch das Geräusch, das es aufnahm, wurde ihnen schnell klar, dass das Geräusch gleichmäßig vom ganzen Himmel kam. Gleichzeitig versuchte ein Team der Princeton University (unter der Leitung von Robert Dicke), das CMB zu finden. Das Team von Dicke bekam Wind des Bell-Experiments und erkannte, dass der CMB gefunden worden war.
Beide Teams veröffentlichten 1965 schnell Artikel im Astrophysical Journal, wobei Penzias und Wilson darüber sprachen, was sie sahen, und Dickes Team erklärte, was es im Kontext des Universums bedeutet. (Später Penzias und Wilson erhielt beide 1978 den Nobelpreis für Physik.
Detaillierter studieren
Das CMB ist für Wissenschaftler nützlich, weil es uns hilft zu lernen, wie das frühe Universum entstanden ist Eine gleichmäßige Temperatur mit nur geringen Schwankungen, die mit präzisen Teleskopen sichtbar sind. „Durch die Untersuchung dieser Schwankungen können Kosmologen den Ursprung von Galaxien und großräumigen Strukturen von Galaxien kennenlernen und die grundlegenden Parameter der Urknalltheorie messen“, schrieb die NASA.
Während Teile des CMB in den folgenden Jahrzehnten nach seiner Entdeckung kartiert wurden, stammte die erste weltraumgestützte Vollhimmelkarte von der Mission Cosmic Background Explorer (COBE) der NASA, die 1989 gestartet und eingestellt wurde Wissenschaftliche Operationen im Jahr 1993. Dieses „Babybild“ des Universums, als N. ASA nennt es, bestätigte Vorhersagen der Urknalltheorie und zeigte auch Hinweise auf eine kosmische Struktur, die zuvor nicht gesehen wurden. 2006 wurde der Nobelpreis für Physik an die COBE-Wissenschaftler John Mather vom Goddard Space Flight Center der NASA und George Smoot von der University of California in Berkeley verliehen.
Eine detailliertere Karte wurde 2003 mit freundlicher Genehmigung der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) erstellt, die im Juni 2001 gestartet wurde und das Sammeln von Wissenschaft einstellte Daten im Jahr 2010. Das erste Bild bezog das Alter des Universums auf 13,7 Milliarden Jahre (eine Messung, die seitdem auf 13,8 Milliarden Jahre verfeinert wurde) und zeigte auch eine Überraschung: Die ältesten Sterne begannen etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten, weit früher als
Wissenschaftler verfolgten diese Ergebnisse, indem sie die sehr frühen Inflationsstadien des Universums (in der Billionstelsekunde nach der Bildung) untersuchten und genauere Parameter für die Atomdichte, die Klumpigkeit des Universums und andere Eigenschaften angaben des Universums kurz nach seiner Bildung. Sie sahen auch eine seltsame Asymmetrie der Durchschnittstemperaturen in beiden Hemisphären des Himmels und einen „kalten Punkt“, der größer als erwartet war. Das WMAP-Team erhielt für seine Arbeit den Durchbruchspreis 2018 für Grundlagenphysik.
2013 wurden Daten aus dem Planck-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation veröffentlicht, die das bisher präziseste Bild des CMB zeigen. Wissenschaftler Mit diesen Informationen wurde ein weiteres Rätsel aufgedeckt: Schwankungen im CMB bei großen Winkelskalen stimmten nicht mit den Vorhersagen überein. Planck bestätigte auch, was WMAP in Bezug auf die Asymmetrie und den kalten Punkt sah. Plancks endgültige Datenveröffentlichung im Jahr 2018 (die Mission wurde zwischen 2009 durchgeführt) und 2013) zeigten mehr Beweise dafür, dass dunkle Materie und dunkle Energie – mysteriöse Kräfte, die wahrscheinlich hinter der Beschleunigung des Universums stehen – zu existieren scheinen.
Andere Forschungsanstrengungen haben versucht, verschiedene Aspekte des CMB zu untersuchen. Eine davon ist die Bestimmung von Polarisationstypen, die als E-Moden (2002 vom Antarktis-basierten Grad-Winkel-Interferometer entdeckt) und B-Moden bezeichnet werden. B-Moden können durch Gravitationslinsen von E-Moden (diese Linsen wurden erstmals 2013 vom Südpolteleskop gesehen) und Gravitationswellen (die erstmals 2016 mit dem Advanced Laser Interferometer Gravitationswellenobservatorium (LIGO) beobachtet wurden) erzeugt werden. Im Jahr 2014 soll das in der Antarktis ansässige BICEP2-Instrument Gravitationswellen-B-Moden gefunden haben. Weitere Beobachtungen (einschließlich Arbeiten von Planck) zeigten jedoch, dass diese Ergebnisse auf kosmischen Staub zurückzuführen sind.
Ab Mitte 2018 Wissenschaftler suchen immer noch nach dem Signal, das kurz nach dem Urknall eine kurze Periode schneller Universumsausdehnung zeigte. Zu dieser Zeit wurde das Universum schneller größer als die Lichtgeschwindigkeit. In diesem Fall vermuten die Forscher, dass dies durch eine Form der Polarisation im CMB sichtbar sein sollte. Eine Studie in diesem Jahr legte nahe, dass ein Leuchten von Nanodiamanten ein schwaches, aber wahrnehmbares Licht erzeugt, das die kosmischen Beobachtungen stört. Jetzt, da dieses Leuchten berücksichtigt ist, könnten zukünftige Untersuchungen es entfernen, um besser nach der schwachen Polarisation im CMB zu suchen, sagten die Autoren der Studie zu der Zeit