Kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) uskotaan olevan jäljellä olevaa säteilyä Suuresta Bangista tai maailmasta, jolloin maailmankaikkeus alkoi. Teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi nopeasti inflaation ja laajenemisen jälkeen. (Maailmankaikkeus laajenee edelleen tänään, ja laajenemisnopeus näyttää erilaiselta riippuen siitä, mihin katsot). CMB edustaa alkuräjähdyksestä jäljellä olevaa lämpöä.
Et voi nähdä CMB: tä paljaalla silmälläsi, mutta se on kaikkialla maailmankaikkeudessa. Se on näkymätön ihmisille, koska se on niin kylmä, vain 2,725 astetta absoluuttisen nollan yläpuolella (miinus 459,67 Fahrenheit-astetta tai miinus 273,15 astetta Celsius-astetta). Tämä tarkoittaa, että sen säteily näkyy eniten sähkömagneettisen spektrin mikroaaltouunissa.
Alkuperät ja löytö
Maailmankaikkeus alkoi 13,8 miljardia vuotta sitten, ja CMB juontaa juurensa noin 400 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Se johtuu maailmankaikkeuden alkuvaiheista, jolloin se oli vain sata -miljoonas koko nykyisestä koostaan, sen lämpötila oli äärimmäinen: 273 miljoonaa astetta absoluuttisen nollan yläpuolella, NASA: n mukaan.
Kaikki tuolloin läsnä olevat atomit hajotettiin nopeasti pieniksi hiukkasiksi (protonit ja elektronit). CMB: n säteily fotoneissa (valokvantteja tai muuta säteilyä edustavat hiukkaset) hajotettiin elektronista. ”Siten fotonit vaelsivat varhaisen maailmankaikkeuden läpi, samalla kun optinen valo vaeltaa tiheän sumun läpi”, NASA kirjoitti.
Noin 380 000 vuotta Suuren räjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli tarpeeksi viileä, jotta vety voisi muodostua. Koska vety osuu tuskin CMB-fotoneihin, fotonit kulkevat suorina. Kosmologit viittaavat ”viimeisen sironnan pintaan”, kun CMB-fotonit osuvat viimeksi aineeseen; sen jälkeen maailmankaikkeus oli liian suuri. Joten kun kartoitamme CMB: tä, katsomme ajassa taaksepäin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, juuri sen jälkeen kun maailmankaikkeus oli läpinäkymätön säteilylle.
Amerikkalainen kosmologi Ralph Apher ennusti ensimmäisen kerran. CMB vuonna 1948, kun hän työskenteli Robert Hermanin ja George Gamowin kanssa NASA: n mukaan. Ryhmä teki tutkimusta, joka liittyi Big Bang -nukleosynteesiin tai alkuaineiden tuotantoon maailmankaikkeudessa vedyn kevyimmän isotoopin (tyypin) lisäksi. Tämän tyyppinen vety syntyi hyvin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden historiassa.
Mutta CMB löydettiin ensin vahingossa. Vuonna 1965 kaksi Bell Telephone Laboratories -tutkijaa (Arno Penzias ja Robert Wilson) loivat radiovastaanotinta ja olivat hämmentyneitä. melun myötä se nousi. He huomasivat melun tulevan tasaisesti kaikkialta taivaalta. Samanaikaisesti Princetonin yliopiston joukkue (johtaja Robert Dicke) yritti löytää CMB: n. Dicken tiimi sai tuulen Bell -kokeesta ja huomasi, että CMB oli löydetty.
Molemmat joukkueet julkaisivat nopeasti artikkeleita Astrophysical Journal -lehdessä vuonna 1965, Penziasin ja Wilsonin puhuessa näkemistään, ja Dicken tiimin selittäessä, mitä se tarkoittaa maailmankaikkeuden yhteydessä. (Myöhemmin Penzias ja Wilson sai molemmat vuonna 1978 fysiikan Nobel-palkinnon).
Opiskelu tarkemmin
CMB on hyödyllinen tutkijoille, koska se auttaa meitä oppimaan varhaisen maailmankaikkeuden muodostumisen. yhtenäinen lämpötila vain pienillä vaihteluilla, jotka näkyvät tarkoilla teleskoopeilla. ”Tutkimalla näitä vaihteluja kosmologit voivat oppia galaksien alkuperästä ja galaksien suurista rakenteista ja mitata Big Bang -teorian perusparametrit”, NASA kirjoitti.
Vaikka CMB: n osia kartoitettiin seuraavina vuosikymmeninä sen löytämisen jälkeen, ensimmäinen avaruuspohjainen koko taivaan kartta tuli NASA: n Cosmic Background Explorer (COBE) -operaatiosta, joka aloitettiin vuonna 1989 ja päättyi tiedeoperaatiot vuonna 1993. Tämä ”vauvan kuva” maailmankaikkeudesta, kuten N ASA kutsuu sitä, vahvisti Big Bang -teorian ennusteet ja näytti myös vihjeitä kosmisesta rakenteesta, joita ei ollut aiemmin nähty. Vuonna 2006 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin COBE-tutkijoille John Matherille NASA Goddardin avaruuslentokeskuksessa ja George Smootille Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä.
Tarkempi kartta tuli vuonna 2003 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -palvelun avulla, joka aloitettiin kesäkuussa 2001 ja lopetti tieteen keräämisen tiedot vuonna 2010. Ensimmäinen kuva kiinnitti maailmankaikkeuden ikään 13,7 miljardia vuotta (mittaus on sen jälkeen puhdistettu 13,8 miljardiin vuoteen) ja paljasti myös yllätyksen: vanhimmat tähdet alkoivat loistaa noin 200 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, paljon aikaisemmin kuin ennustettu.
Tutkijat seurasivat näitä tuloksia tutkimalla maailmankaikkeuden varhaisia inflaatiovaiheita (biljoonasosassa sekunnissa muodostumisen jälkeen) ja antamalla tarkempia parametreja atomitiheydelle, maailmankaikkeuden rakeisuudelle ja muille ominaisuuksille. maailmankaikkeuden pian sen muodostumisen jälkeen. He näkivät myös kummallisen epäsymmetrian keskilämpötiloissa molemmilla taivaan pallonpuoliskoilla ja ”kylmän pisteen”, joka oli odotettua suurempi. WMAP-tiimi sai työstään vuoden 2018 läpimurtopalkinnon perusfysiikassa.
Vuonna 2013 julkaistiin Euroopan avaruusjärjestön Planckin avaruusteleskoopin tiedot, jotka osoittavat CMB: n tarkimman kuvan. paljasti toisen salaisuuden näillä tiedoilla: CMB: n vaihtelut suurissa kulmamittakaavoissa eivät vastanneet ennusteita. Planck vahvisti myös WMAP: n näkemän epäsymmetrian ja kylmän pisteen kannalta. Planckin lopullinen tiedonanto vuonna 2018 (operaatio toimi vuosina 2009) ja 2013) osoittivat enemmän todisteita siitä, että pimeää ainetta ja tummaa energiaa – salaperäisiä voimia, jotka todennäköisesti ovat maailmankaikkeuden kiihtyvyyden takana – näyttää olevan olemassa.
Muut tutkimustyöt ovat yrittäneet tarkastella CMB: n eri näkökohtia. Yksi on määritellä polarisaatiotyypit, joita kutsutaan E-moodeiksi (löysi Etelämantereelle perustuvan asteen kulmamittakaavainterferometri vuonna 2002) ja B-moodeiksi. B-moodeja voidaan tuottaa E-moodien (tämä linssitys nähtiin ensimmäisen kerran etelänavan teleskoopilla vuonna 2013) ja gravitaatioaaltojen (jotka havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2016 Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory tai LIGO) -objektiivien avulla. Vuonna 2014 Etelämantereella toimivan BICEP2-laitteen sanottiin löytäneen gravitaatioaaltojen B-moodit, mutta jatkotutkimukset (mukaan lukien Planckin työ) osoittivat, että nämä tulokset johtuivat kosmisesta pölystä.
Vuoden 2018 puolivälissä Tutkijat etsivät edelleen signaalia, joka osoitti maailmankaikkeuden nopean laajenemisen hetken pian Ison paukun jälkeen. Tuolloin maailmankaikkeus oli kasvamassa suuremmalla nopeudella kuin valon nopeus. Jos näin tapahtui, tutkijat epäilevät tämän olevan näkyvissä CMB: ssä polarisaation muodossa. Tuona vuonna tehty tutkimus viittasi siihen, että nanodiamanttien hehku luo heikkoa, mutta havaittavaa valoa, joka häiritsee kosmisia havaintoja. Nyt kun tämä hehku on otettu huomioon, tulevat tutkimukset voisivat poistaa sen etsimään paremmin heikkoa polarisaatiota CMB: ssä, tutkimuksen kirjoittajat sanoivat tuolloin.