Men denkt dat de kosmische microgolfachtergrond (CMB) de overgebleven straling is van de oerknal, of het tijdstip waarop het heelal begon. Zoals de theorie luidt, onderging het universum toen het werd geboren een snelle inflatie en expansie. (Het universum breidt zich vandaag nog steeds uit en de uitzettingssnelheid lijkt anders, afhankelijk van waar je kijkt). De CMB vertegenwoordigt de warmte die overblijft na de oerknal.
Je kunt de CMB niet met je blote oog zien, maar hij is overal in het universum. Het is onzichtbaar voor mensen omdat het zo koud is, slechts 2,725 graden boven het absolute nulpunt (minus 459,67 graden Fahrenheit, of minus 273,15 graden Celsius). Dit betekent dat de straling het meest zichtbaar is in het microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum.
Origins en ontdekking
Het universum begon 13,8 miljard jaar geleden, en de CMB dateert van ongeveer 400.000 jaar na de oerknal. Dat komt omdat in de vroege stadia van het universum, toen het nog maar honderd jaar oud was. -miljoenste van de grootte die het vandaag is, was de temperatuur extreem: 273 miljoen graden boven het absolute nulpunt, volgens NASA.
Alle atomen die op dat moment aanwezig waren, werden snel opgesplitst in kleine deeltjes (protonen en elektronen). De straling van de CMB in fotonen (deeltjes die lichtquantums of andere straling vertegenwoordigen) werd van de elektronen verstrooid. “Zo dwaalden fotonen door het vroege universum, net zoals optisch licht door een dichte mist dwaalt”, schreef NASA.
Ongeveer 380.000 jaar na de oerknal was het universum koel genoeg om waterstof te kunnen vormen. Omdat de CMB-fotonen nauwelijks worden beïnvloed door het raken van waterstof, reizen de fotonen in rechte lijnen. Kosmologen verwijzen naar een “oppervlak van de laatste verstrooiing” wanneer de CMB-fotonen de materie voor het laatst raken; daarna was het universum te groot. Dus als we de CMB in kaart brengen, kijken we terug in de tijd naar 380.000 jaar na de oerknal, net nadat het universum ondoorzichtig was voor straling.
De Amerikaanse kosmoloog Ralph Apher voorspelde voor het eerst de CMB in 1948, toen hij volgens NASA samenwerkte met Robert Herman en George Gamow. Het team deed onderzoek met betrekking tot Big Bang-nucleosynthese, of de productie van elementen in het universum naast de lichtste isotoop (type) waterstof. Dit type waterstof ontstond al heel vroeg in de geschiedenis van het universum.
Maar de CMB werd voor het eerst per ongeluk gevonden. In 1965 waren twee onderzoekers van Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias en Robert Wilson) bezig met het maken van een radio-ontvanger, en ze waren verbaasd door het geluid dat het oppikte. Ze beseften al snel dat het geluid gelijkmatig uit de hele lucht kwam. Tegelijkertijd probeerde een team van Princeton University (onder leiding van Robert Dicke) de CMB te vinden. Het team van Dicke kreeg wind van het Bell-experiment en realiseerde zich dat de CMB was gevonden.
Beide teams publiceerden snel artikelen in het Astrophysical Journal in 1965, waarbij Penzias en Wilson spraken over wat ze zagen, en het team van Dicke uitlegde wat het betekent in de context van het universum. (later, Penzias en Wilson ontvingen allebei de Nobelprijs voor natuurkunde in 1978).
Meer in detail studeren
De CMB is nuttig voor wetenschappers omdat het ons helpt te leren hoe het vroege universum werd gevormd. een uniforme temperatuur met alleen kleine fluctuaties die zichtbaar zijn met nauwkeurige telescopen. “Door deze fluctuaties te bestuderen, kunnen kosmologen leren over de oorsprong van sterrenstelsels en grootschalige structuren van sterrenstelsels en kunnen ze de basisparameters van de oerknaltheorie meten”, schreef NASA.
Terwijl delen van de CMB in de daaropvolgende decennia na de ontdekking in kaart werden gebracht, kwam de eerste op de ruimte gebaseerde volledige hemelkaart van NASAs Cosmic Background Explorer (COBE) -missie, die in 1989 werd gelanceerd en stopte. wetenschappelijke operaties in 1993. Deze “babyfoto” van het universum, zoals N ASA noemt het, bevestigde de voorspellingen van de Big Bang-theorie en toonde ook hints van kosmische structuur die nog niet eerder waren gezien. In 2006 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan COBE-wetenschappers John Mather van het NASA Goddard Space Flight Center en George Smoot van de University of California, Berkeley.
Een meer gedetailleerde kaart kwam in 2003 met dank aan de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), die in juni 2001 werd gelanceerd en stopte met het verzamelen van wetenschap gegevens in 2010. De eerste foto koppelde de leeftijd van het universum aan 13,7 miljard jaar (een meting sindsdien verfijnd tot 13,8 miljard jaar) en onthulde ook een verrassing: de oudste sterren begonnen te schijnen ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal, veel eerder dan voorspeld.
Wetenschappers volgden die resultaten door de zeer vroege inflatiefasen van het universum te bestuderen (in de biljoenste seconde na de vorming) en door nauwkeurigere parameters te geven over de atoomdichtheid, de klonterigheid van het universum en andere eigenschappen. van het universum kort nadat het werd gevormd. Ze zagen ook een vreemde asymmetrie in de gemiddelde temperaturen in beide hemisferen van de lucht, en een “koude plek” die groter was dan verwacht. Het WMAP-team ontving de Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2018 voor hun werk.
In 2013 werden gegevens van de Planck-ruimtetelescoop van het European Space Agency vrijgegeven, die de hoogst nauwkeurige foto van de CMB tot nu toe lieten zien. Wetenschappers ontdekte een ander mysterie met deze informatie: schommelingen in de CMB op grote hoekschalen kwamen niet overeen met de voorspellingen. Planck bevestigde ook wat WMAP zag in termen van de asymmetrie en de koude plek. De definitieve gegevensuitgave van Planck in 2018 (de missie werkte tussen 2009 en 2013) toonden meer bewijs dat donkere materie en donkere energie – mysterieuze krachten die waarschijnlijk achter de versnelling van het universum zitten – lijken te bestaan.
Andere onderzoeksinspanningen hebben getracht naar verschillende aspecten van de CMB te kijken. Een daarvan is het bepalen van soorten polarisatie die E-modi worden genoemd (ontdekt door de op Antarctica gebaseerde Degree Angular Scale Interferometer in 2002) en B-modi. B-modes kunnen worden geproduceerd door gravitatielenzen van E-modes (deze lensing werd voor het eerst gezien door de South Pole Telescope in 2013) en gravitatiegolven (die voor het eerst werden waargenomen in 2016 met behulp van de Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, of LIGO). In 2014 zou het op Antarctica gebaseerde BICEP2-instrument de zwaartekrachtgolf B-modi hebben gevonden, maar verdere observatie (inclusief werk van Planck) toonde aan dat deze resultaten te wijten waren aan kosmisch stof.
Vanaf medio 2018 , zijn wetenschappers nog steeds op zoek naar het signaal dat een korte periode van snelle universumuitbreiding liet zien kort na de oerknal. In die tijd werd het universum sneller groter dan het licht. Als dit gebeurt, vermoeden onderzoekers dat dit door een vorm van polarisatie zichtbaar moet zijn in de CMB. Een studie dat jaar suggereerde dat een gloed van nanodiamanten een zwak, maar waarneembaar licht creëert dat de kosmische waarnemingen verstoort. Nu rekening wordt gehouden met deze gloed, zouden toekomstige onderzoeken deze kunnen verwijderen om beter te kunnen zoeken naar de zwakke polarisatie in de CMB, zeiden de auteurs van het onderzoek destijds.