Den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) tros vara resterande strålning från Big Bang, eller den tid då universum började. Som teorin går, genomgick universum en snabb inflation och expansion när universum föddes. (Universum expanderar fortfarande idag och expansionshastigheten verkar olika beroende på var du tittar). CMB representerar värmen som är kvar från Big Bang.
Du kan inte se CMB med blotta ögat, men det finns överallt i universum. Det är osynligt för människor eftersom det är så kallt, bara 2,725 grader över absolut noll (minus 459,67 grader Fahrenheit eller minus 273,15 grader Celsius.) Detta betyder att dess strålning är mest synlig i mikrovågsdelen av det elektromagnetiska spektrumet.
Ursprung och upptäckt
Universum började för 13,8 miljarder år sedan, och CMB går tillbaka till cirka 400 000 år efter Big Bang. Det beror på att i de tidiga stadierna av universum, när det bara var hundra -millionth den storlek som den är idag, dess temperatur var extrem: 273 miljoner grader över absolut noll, enligt NASA.
Alla atomer som var närvarande vid den tiden bröts snabbt i små partiklar (protoner och elektroner). Strålningen från CMB i fotoner (partiklar som representerar kvantor av ljus eller annan strålning) spriddes av elektronerna. ”Således vandrade fotoner genom det tidiga universum, precis som optiskt ljus vandrade genom en tät dimma,” skrev NASA.
Cirka 380 000 år efter Big Bang var universum tillräckligt coolt för att väte skulle kunna bildas. Eftersom CMB-fotonerna knappt påverkas av att träffa väte, rör sig fotonerna i raka linjer. Kosmologer hänvisar till en ”yta av den sista spridningen” när CMB-fotonerna senast träffade materien; efter det var universum för stort. Så när vi kartlägger CMB, ser vi tillbaka i tiden till 380 000 år efter Big Bang, strax efter att universum var ogenomskinligt för strålning.
Amerikanska kosmologen Ralph Apher förutspådde först CMB 1948, när han arbetade med Robert Herman och George Gamow, enligt NASA. Teamet gjorde forskning relaterad till Big Bang nukleosyntes, eller produktionen av element i universum förutom den lättaste isotopen (typen) av väte. Denna typ av väte skapades mycket tidigt i universums historia.
Men CMB hittades först av en slump. 1965 skapade två forskare med Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias och Robert Wilson) en radiomottagare och blev förbryllade av bullret som det tog fart. De insåg snart att bullret kom enhetligt från hela himlen. Samtidigt försökte ett team vid Princeton University (ledt av Robert Dicke) hitta CMB. Dickes team fick vind av Bell-experimentet och insåg att CMB hade hittats.
Båda lagen publicerade snabbt artiklar i Astrophysical Journal 1965, med Penzias och Wilson som pratade om vad de såg, och Dickes team förklarade vad det betyder i universums sammanhang. (Senare Penzias och Wilson fick båda Nobelpriset i fysik 1978).
Att studera mer detaljerat
CMB är användbart för forskare eftersom det hjälper oss att lära oss hur det tidiga universum bildades. Det är vid en enhetlig temperatur med endast små fluktuationer synliga med exakta teleskop. ”Genom att studera dessa fluktuationer kan kosmologer lära sig om galaxernas ursprung och storskaliga galaxstrukturer och de kan mäta de grundläggande parametrarna för Big Bang-teorin”, skrev NASA.
Medan delar av CMB kartlagdes under de följande decennierna efter upptäckten, kom den första rymdbaserade full-sky-kartan från NASA: s Cosmic Background Explorer-uppdrag (COBE), som lanserades 1989 och upphörde vetenskapliga operationer 1993. Denna ”babybild” av universum, som N ASA kallar det, bekräftade förutsägelser av Big Bang-teorin och visade också tips om kosmisk struktur som inte sågs tidigare. 2006 delades ut Nobelpriset i fysik till COBE-forskare John Mather vid NASA Goddard Space Flight Center och George Smoot vid University of California, Berkeley.
En mer detaljerad karta kom 2003 med tillstånd av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), som lanserades i juni 2001 och slutade samla vetenskap data 2010. Den första bilden kopplade universums ålder till 13,7 miljarder år (en mätning sedan förfinad till 13,8 miljarder år) och avslöjade också en överraskning: de äldsta stjärnorna började lysa cirka 200 miljoner år efter Big Bang, långt tidigare än förutspådde.
Forskare följde upp dessa resultat genom att studera universums mycket tidiga inflationsstadier (i triljonth sekunden efter bildandet) och genom att ge mer exakta parametrar för atomens densitet, universums klumpighet och andra egenskaper. av universum strax efter det bildades. De såg också en konstig asymmetri i medeltemperaturen på båda himmelsfärerna och en ”kall fläck” som var större än förväntat. WMAP-teamet mottog genombrottspriset 2018 i grundläggande fysik för sitt arbete.
2013 släpptes data från Europeiska rymdorganisationens Planck-rymdteleskop, som visar den högsta precisionen av CMB hittills. Forskare avslöjade ett annat mysterium med denna information: Fluktuationer i CMB vid stora vinkelskalor matchade inte förutsägelser. Planck bekräftade också vad WMAP såg när det gällde asymmetrin och den kalla fläcken. Plancks slutliga datautgivande 2018 (uppdraget genomfördes mellan 2009 och 2013) visade mer bevis på att mörk materia och mörk energi – mystiska krafter som sannolikt ligger bakom universums acceleration – verkar existera.
Andra forskningsinsatser har försökt att titta på olika aspekter av CMB. Den ena är att bestämma typer av polarisering som kallas E-lägen (upptäcktes av den Antarktisbaserade Degree Angular Scale Interferometer 2002) och B-lägen. B-lägen kan produceras från gravitationslinsering av E-lägen (denna linsning sågs först av Sydpolen Teleskop 2013) och gravitationsvågor (som först observerades 2016 med Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO). År 2014 sägs det antarktisbaserade BICEP2-instrumentet ha hittat gravitationsvåg B-lägen, men ytterligare observation (inklusive arbete från Planck) visade att dessa resultat berodde på kosmiskt damm.
Från och med mitten av 2018 , forskare letar fortfarande efter signalen som visade en kort period av snabb universumutvidgning strax efter Big Bang. Vid den tiden blev universum större i en takt snabbare än ljusets hastighet. Om detta hände misstänker forskare att detta borde vara synligt i CMB genom en form av polarisering. En studie det året föreslog att en glöd från nanodiamanter skapar ett svagt men urskiljbart ljus som stör kosmiska observationer. Nu när denna glöd redovisas kan framtida undersökningar ta bort den för att bättre leta efter den svaga polarisationen i CMB, sa studieförfattare vid den tiden.