Obrázok kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, ktorý urobil satelit Planck Európskej vesmírnej agentúry (ESA) v roku 2013, ukazuje malé rozdiely na oblohe.
(Obrázok: © ESA / Planck Collaboration)
Kozmické mikrovlnné pozadie (CMB) sa považuje za zvyškové žiarenie z Veľkého tresku alebo v čase, keď sa začal vesmír. Ako sa uvádza v teórii, keď sa vesmír narodil, prešiel rýchlou infláciou a expanziou. (Vesmír sa stále rozširuje a miera rozširovania sa zdá odlišná v závislosti od toho, kde hľadáte). CMB predstavuje teplo, ktoré zostalo z Veľkého tresku.
Nemôžete vidieť CMB voľným okom, ale je všade vo vesmíre. To je pre ľudí neviditeľné, pretože je tak chladné, iba 2,725 stupňov nad absolútnou nulou (mínus 459,67 stupňov Fahrenheita alebo mínus 273,15 stupňov Celzia.) To znamená, že jeho žiarenie je najviac viditeľné v mikrovlnnej časti elektromagnetického spektra.
Pôvod a objavovanie
Vesmír sa začal pred 13,8 miliardami rokov a CMB sa datuje asi do 400 000 rokov po Veľkom tresku. Je to tak preto, že v počiatočných fázach vesmíru, keď to bolo len stotisíc milióntiny dnešnej veľkosti, bola jeho teplota extrémna: 273 miliónov stupňov vyššie absolútna nula, podľa NASA.
Všetky atómy prítomné v tom čase boli rýchlo rozdelené na malé častice (protóny a elektróny). Žiarenie z CMB vo fotónoch (častice predstavujúce kvantum svetla alebo iné žiarenie) bolo rozptýlené z elektrónov. „Fotóny tak putovali ranným vesmírom, rovnako ako optické svetlo putuje hustou hmlou,“ napísal NASA.
Asi 380 000 rokov po Veľkom tresku bol vesmír dosť chladný, aby sa mohol tvoriť vodík. Pretože fotóny CMB sú sotva ovplyvnené nárazom vodíka, fotóny sa pohybujú po priamkach. Kozmológovia označujú „povrch posledného rozptylu“, keď CMB fotóny naposledy zasiahli hmotu; potom bol vesmír príliš veľký. Takže keď mapujeme CMB, obzeráme sa späť v čase do 380 000 rokov po Veľkom tresku, hneď potom, čo bol vesmír nepriehľadný na žiarenie.
Americký kozmológ Ralph Apher prvýkrát predpovedal CMB v roku 1948, keď pracoval s Robertom Hermanom a Georgeom Gamowom podľa NASA. Tím robil výskum týkajúci sa nukleosyntézy Big Bangu alebo výroby prvkov vo vesmíre okrem najľahšieho izotopu (typu) vodíka. Tento typ vodíka bol vytvorený veľmi skoro v histórii vesmíru.
CMB však bola prvýkrát nájdená náhodou. V roku 1965 dvaja vedci s Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias a Robert Wilson) vytvorili rádiový prijímač a boli zmätení hlukom, ktorý zaznamenával. Čoskoro si uvedomili, že hluk vychádza rovnomerne z celej oblohy. V rovnakom čase sa tím na Univerzite Princeton (vedený Robertom Dickem) snažil nájsť CMB. Dickeho tím dostal vietor z Bell experimentu a uvedomil si, CMB bola nájdená.
Oba tímy v roku 1965 v Astrofyzikálnom časopise rýchlo uverejnili príspevky, pričom Penzias a Wilson hovorili o tom, čo videli, a Dickeho tím vysvetlil, čo to znamená v kontexte vesmíru. (Neskôr dostali Penzia aj Wilson Nobelovu cenu za fyziku v roku 1978).
Podrobnejšie štúdium
CMB je užitočná pre vedcov, pretože nám pomáha dozvedieť sa, ako sa vytvoril raný vesmír. Má rovnomernú teplotu a pri presných ďalekohľadoch sú viditeľné iba malé výkyvy. „Štúdiom týchto fluktuácií sa kozmológovia môžu dozvedieť o pôvode galaxií a rozsiahlych štruktúrach galaxií a môžu zmerať základné parametre teórie Veľkého tresku,“ napísala NASA.
Zatiaľ čo časti CMB boli mapované v nasledujúcich desaťročiach po jej objavení, prvá vesmírna mapa s plným nebom pochádza z misie Cosmic Background Explorer (COBE) agentúry NASA, ktorá začala v roku 1989 a ukončila vedecké operácie v roku 1993. Tento „detský obrázok“ Vesmíru, ako to nazýva NASA, potvrdili predpovede teórie Veľkého tresku a tiež ukázali náznaky kozmickej štruktúry, ktoré sa predtým nevideli. V roku 2006 bola Nobelova cena za fyziku udelená vedcom COBE Johnovi Matherovi v NASA Goddard Space Flight Center a George Smootovi na Kalifornskej univerzite v Berkeley.
Podrobnejšia mapa prišla v roku 2003 so súhlasom sondy Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ktorá sa začala v júni 2001 a zastavila zhromažďovanie vedeckých údajov v roku 2010. Prvý obrázok určil vek vesmíru na 13,7 miliárd rokov (meranie sa od tejto chvíle zmenilo na 13,8 miliárd) rokov) a tiež odhalilo prekvapenie: najstaršie hviezdy začali žiariť asi 200 miliónov rokov po Veľkom tresku, oveľa skôr, ako sa predpokladalo.
Vedci sledovali tieto výsledky študovaním veľmi skorých štádií inflácie vesmíru (v biliónovom sekunde po formácii) a poskytnutím presnejších parametrov hustoty atómov, hrudkovitosti vesmíru a ďalších vlastností vesmíru krátko po jeho vytvorení. Tiež videli zvláštnu asymetriu priemerných teplôt v oboch pologuli oblohy a „chladné miesto“, ktoré bolo väčšie, ako sa očakávalo. Tím WMAP získal za svoju prácu v roku 2018 prielomovú cenu za základnú fyziku.
V roku 2013 boli zverejnené údaje z kozmického ďalekohľadu Európskej vesmírnej agentúry Planck, ktoré ukazujú doteraz najpresnejší obraz CMB. Vedci odhalili ďalšie tajomstvo s týmito informáciami: Výkyvy v CMB vo veľkých uhlových mierkach nezodpovedali predpovedi. Planck tiež potvrdil, čo WMAP videl z hľadiska asymetrie a studeného miesta. Konečné zverejnenie údajov spoločnosti Planck v roku 2018 (misia operovaná v rokoch 2009 až 2013) ukázalo viac dôkazov, že temná hmota a temná energia - záhadné sily, ktoré sú pravdepodobne za zrýchlením vesmíru - pravdepodobne existujú.
Ďalšie výskumné úsilie sa pokúsilo preskúmať rôzne aspekty CMB. Jedným z nich je určovanie typov polarizácie nazývaných E-režimy (objavené interferometrom na základe stupňov uhlovej stupnice založenom na Antarktíde v roku 2002) a B-režimy. B-režimy sa dajú získať pomocou gravitačných šošoviek E-režimov (toto šošovkovanie sa prvýkrát objavilo na južnom póle teleskopu v roku 2013) a gravitačných vĺn (ktoré sa prvýkrát pozorovali v roku 2016 pomocou gravitačného vlnového observatória Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, alebo LIGO). V roku 2014 sa v nástroji BICEP2 na základe Antarktídy zistilo, že našiel B-režimy gravitačnej vlny, ale ďalšie pozorovanie (vrátane práce od Plancka) ukázalo, že tieto výsledky boli spôsobené kozmickým prachom.
Od polovice roku 2018 vedci stále hľadajú signál, ktorý by krátko po Veľkom tresku ukázal krátku periódu rýchleho rozvoja vesmíru. V tom čase sa vesmír zväčšoval rýchlosťou vyššou ako rýchlosť svetla. Ak k tomu dôjde, vedci predpokladajú, že by to malo byť viditeľné v CMB prostredníctvom polarizácie. Štúdia toho roku naznačila, že žiara nanodiamondov vytvára slabé, ale rozpoznateľné svetlo, ktoré narúša kozmické pozorovania. Teraz, keď je táto žiara započítaná, budúce výskumy by ju mohli odstrániť, aby lepšie hľadali slabú polarizáciu v CMB, uviedli v tom čase autori štúdie.
Dodatočný zdroj
- NASA: Testy Big Bang: CMB
