Uważa się, że kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) jest pozostałością promieniowania po Wielkim Wybuchu lub z czasu powstania wszechświata. Jak głosi teoria, kiedy wszechświat się narodził, przeszedł on gwałtowną inflację i ekspansję. (Wszechświat nadal się rozszerza, a tempo ekspansji różni się w zależności od tego, gdzie patrzysz). CMB reprezentuje ciepło pozostałe po Wielkim Wybuchu.
Nie można zobaczyć KMPT gołym okiem, ale jest wszędzie we wszechświecie. Jest niewidoczny dla ludzi, ponieważ jest tak zimno, zaledwie 2,725 stopnia powyżej zera absolutnego (minus 459,67 stopnia Fahrenheita, czyli minus 273,15 stopnia Celsjusza). Oznacza to, że jego promieniowanie jest najbardziej widoczne w mikrofalowej części widma elektromagnetycznego.
Początki i odkrycie
Wszechświat powstał 13,8 miliarda lat temu, a KMPT sięga około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu. Dzieje się tak dlatego, że we wczesnych stadiach wszechświata, kiedy miał zaledwie sto -milionowej wielkości, jaką ma dzisiaj, jego temperatura była ekstremalna: 273 milionów stopni powyżej zera bezwzględnego, według NASA.
Wszystkie obecne w tym czasie atomy zostały szybko rozbite na małe cząstki (protony i elektrony). Promieniowanie z KMPT w fotonach (cząstkach reprezentujących kwanty światła lub innego promieniowania) zostało rozproszone poza elektronami. „W ten sposób fotony wędrowały przez wczesny Wszechświat, tak jak światło optyczne wędruje przez gęstą mgłę” – napisała NASA.
Około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był na tyle chłodny, że mógł powstać wodór. Ponieważ uderzenie wodoru prawie nie wpływa na fotony KMPT, poruszają się one po liniach prostych. Kosmolodzy mówią o „powierzchni ostatniego rozproszenia”, kiedy fotony KMPT uderzyły ostatnio w materię; potem wszechświat był zbyt duży. Kiedy więc mapujemy CMB, spoglądamy w przeszłość do 380000 lat po Wielkim Wybuchu, tuż po tym, jak wszechświat był nieprzezroczysty dla promieniowania.
Amerykański kosmolog Ralph Apher jako pierwszy przewidział CMB w 1948 roku, kiedy pracował z Robertem Hermanem i Georgeem Gamowem, według NASA. Zespół prowadził badania związane z nukleosyntezą Wielkiego Wybuchu, czyli produkcją pierwiastków we Wszechświecie poza najlżejszym izotopem (rodzajem) wodoru. Ten rodzaj wodoru powstał bardzo wcześnie w historii wszechświata.
Jednak CMB został po raz pierwszy znaleziony przez przypadek. W 1965 r. dwóch badaczy z Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias i Robert Wilson) tworzyło odbiornik radiowy i było zdziwionych przez hałas, który zbierał. Wkrótce zdali sobie sprawę, że hałas dochodził równomiernie z całego nieba. W tym samym czasie zespół z Uniwersytetu Princeton (kierowany przez Roberta Dickea) próbował znaleźć CMB. Zespół Dickea złapał wiatr eksperymentu Bella i zdał sobie sprawę, że KMPT zostało znalezione.
Oba zespoły szybko opublikowały artykuły w Astrophysical Journal w 1965 roku, w których Penzias i Wilson rozmawiali o tym, co widzieli, a zespół Dickea wyjaśnił, co to oznacza w kontekście wszechświata. (Później, Penzias i Wilson obaj otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1978 r.).
Bardziej szczegółowe studia
CMB jest przydatna dla naukowców, ponieważ pomaga nam dowiedzieć się, jak powstał wczesny wszechświat. jednolitą temperaturę z tylko niewielkimi fluktuacjami widocznymi przez precyzyjne teleskopy. „Badając te fluktuacje, kosmolodzy mogą dowiedzieć się o pochodzeniu galaktyk i wielkoskalowych strukturach galaktyk oraz mogą zmierzyć podstawowe parametry teorii Wielkiego Wybuchu” – napisała NASA.
Podczas gdy fragmenty CMB zostały zmapowane w kolejnych dekadach po jej odkryciu, pierwsza kosmiczna mapa pełnego nieba pochodzi z misji Cosmic Background Explorer (COBE) NASA, która rozpoczęła się w 1989 roku i zakończyła operacje naukowe w 1993 roku. Ten „dziecięcy obraz” wszechświata, jak pisze N ASA nazywa to, potwierdziło przewidywania teorii Wielkiego Wybuchu, a także pokazało wskazówki dotyczące kosmicznej struktury, których wcześniej nie widziano. W 2006 roku Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana naukowcom z COBE Johnowi Matherowi z NASA Goddard Space Flight Center i Georgeowi Smootowi z University of California w Berkeley.
Bardziej szczegółowa mapa pojawiła się w 2003 roku dzięki uprzejmości Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), która została uruchomiona w czerwcu 2001 roku i przestała gromadzić informacje naukowe dane z 2010 roku. Na pierwszym zdjęciu ustalono wiek Wszechświata na 13,7 miliarda lat (pomiar od czasu udoskonalenia do 13,8 miliarda lat), a także ujawniono niespodziankę: najstarsze gwiazdy zaczęły świecić około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu, znacznie wcześniej niż przewidywane.
Naukowcy podążyli za tymi wynikami, badając bardzo wczesne stadia inflacji Wszechświata (w trylionowej sekundzie po utworzeniu) i podając dokładniejsze parametry gęstości atomów, zbrylenia wszechświata i innych właściwości wszechświata wkrótce po jego utworzeniu. Zauważyli również dziwną asymetrię średnich temperatur na obu półkulach nieba oraz „zimny punkt”, który był większy niż oczekiwano. Zespół WMAP otrzymał za swoją pracę przełomową nagrodę 2018 w dziedzinie fizyki fundamentalnej.
W 2013 roku opublikowano dane z teleskopu kosmicznego Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, przedstawiające najbardziej precyzyjne jak dotąd zdjęcie KMPT. Naukowcy dzięki tym informacjom odkrył kolejną tajemnicę: wahania CMB w dużych skalach kątowych nie zgadzały się z przewidywaniami. Planck potwierdził również to, co WMAP dostrzegł w zakresie asymetrii i zimnego punktu. Ostateczna publikacja danych Plancka w 2018 r. (misja prowadzona między 2009 r. i 2013) pokazały więcej dowodów na to, że ciemna materia i ciemna energia – tajemnicze siły, które prawdopodobnie stoją za przyspieszeniem wszechświata – wydają się istnieć.
Inne wysiłki badawcze próbowały przyjrzeć się różnym aspektom CMB. Jednym z nich jest określenie typów polaryzacji zwanych trybami E (odkrytymi przez interferometr stopniowej skali kątowej na Antarktydzie w 2002 roku) i trybami B. Tryby B mogą być wytwarzane z soczewkowania grawitacyjnego trybów E (soczewkowanie to zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez Teleskop Bieguna Południowego w 2013 r.) I fal grawitacyjnych (które po raz pierwszy zaobserwowano w 2016 r. Za pomocą Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, czyli LIGO). W 2014 roku instrument BICEP2 znajdujący się na Antarktydzie znalazł podobno fale grawitacyjne w trybach B, ale dalsze obserwacje (w tym prace z Plancka) wykazały, że wyniki te były spowodowane przez pył kosmiczny.
Stan na połowę 2018 roku , naukowcy wciąż szukają sygnału, który wskazywałby na krótki okres szybkiej ekspansji wszechświata krótko po Wielkim Wybuchu. W tym czasie wszechświat powiększał się w tempie szybszym niż prędkość światła. Jeśli tak się stało, naukowcy podejrzewają, że powinno to być widoczne w KMPT poprzez formę polaryzacji. Badania przeprowadzone w tym roku sugerowały, że poświata nanodiamentów tworzy słabe, ale dostrzegalne światło, które zakłóca obserwacje kosmiczne. Teraz, gdy uwzględniono tę poświatę, przyszłe badania mogą ją usunąć, aby lepiej szukać słabej polaryzacji w KMPT, powiedzieli wówczas autorzy badania.