ČO JE TO KOZMICKé MIKROVLNNé POZADIE?

Send

Po tisíce rokov človek uvažuje o vesmíre a snaží sa určiť jeho skutočný rozsah. Do 20. storočia začali vedci pochopiť, aký obrovský (a možno aj nekonečný) vesmír je.

A pri pohľade ďalej do vesmíru a hlbšie späť v čase kozmológovia objavili niektoré skutočne úžasné veci. Napríklad v priebehu šesťdesiatych rokov sa astronómovia dozvedeli o mikrovlnnom žiarení pozadia, ktoré bolo zistiteľné vo všetkých smeroch. Existencia tohto žiarenia, známeho ako Kozmické mikrovlnné pozadie (CMB), pomohla informovať naše pochopenie toho, ako začal vesmír.

Popis:

CMB je v podstate elektromagnetické žiarenie, ktoré zostáva z najskoršej kozmologickej epochy, ktorá preniká celým vesmírom. Predpokladá sa, že sa vytvoril asi 380 000 rokov po Veľkom tresku a obsahuje jemné náznaky toho, ako sa vytvorili prvé hviezdy a galaxie. Aj keď je toto žiarenie neviditeľné pomocou optických ďalekohľadov, rádioteleskopy dokážu detekovať slabý signál (alebo žiaru), ktorý je najsilnejší v mikrovlnnej oblasti rádiového spektra.

CMB je viditeľná vo vzdialenosti 13,8 miliárd svetelných rokov vo všetkých smeroch od Zeme, čo viedlo vedcov k zisteniu, že toto je skutočný vek vesmíru. Nie je to však náznak skutočného rozsahu vesmíru. Vzhľadom na to, že vesmír sa od začiatku vesmíru nachádzal v expanzii (a rozširuje sa rýchlejšie ako rýchlosť svetla), CMB je iba najvzdialenejším obdobím, ktoré sme schopní vidieť.

Vzťah k Veľkému tresku:

CMB je ústredným bodom teórie Veľkého tresku a moderných kozmologických modelov (napríklad model Lambda-CDM). Ako sa uvádza v teórii, keď sa vesmír narodil pred 13,8 miliardami rokov, všetka hmota sa zhustila do jediného bodu nekonečnej hustoty a extrémneho tepla. Kvôli extrémnemu teplu a hustote hmoty bol stav vesmíru veľmi nestabilný. Zrazu sa tento bod začal rozširovať a vesmír, ako ho poznáme, začal.

V tom čase bol priestor vyplnený rovnomerným žiarením bielych horúcich častíc plazmy - pozostávajúcich z protónov, neutrónov, elektrónov a fotónov (svetlo). Medzi 380 000 a 150 miliónmi rokov po Veľkom tresku fotóny neustále interagovali s voľnými elektrónmi a nemohli cestovať na veľké vzdialenosti. Preto je táto epocha hovorovo označovaná ako „temný vek“.

Ako sa vesmír ďalej rozširoval, ochladzoval sa do bodu, keď sa elektróny dokázali kombinovať s protónmi a tvoriť atómy vodíka (aka. Rekombinácia). V neprítomnosti voľných elektrónov sa fotóny dokázali voľne pohybovať vesmírom a začali sa javiť ako dnes (t. J. Priehľadné a prenikané svetlom). Počas ďalších miliárd rokov sa vesmír naďalej rozširoval a výrazne ochladzoval.

V dôsledku rozšírenia priestoru vlnové dĺžky fotónov narástli (zmenili sa na „redshifted“) na zhruba 1 milimeter a ich účinná teplota klesla na tesne nad absolútnu nulu - 2,7 kelvina (-270 ° C; -454 ° F). Tieto fotóny zapĺňajú časopis Space a objavujú sa ako pozadie, ktoré je možné zistiť na vzdialených infračervených a rádiových vlnových dĺžkach.

Dejiny štúdia:

Existenciu CMB najprv teoretizovali ukrajinsko-americký fyzik George Gamow spolu so svojimi študentmi Ralphom Alpherom a Robertom Hermanom v roku 1948. Táto teória bola založená na štúdiu dôsledkov nukleosyntézy svetelných prvkov (vodík, hélium a lítium) počas veľmi raného vesmíru. V podstate si uvedomili, že aby sa syntetizovali jadrá týchto prvkov, počiatočný vesmír musí byť extrémne horúci.

Ďalej teoretizovali, že zvyškové žiarenie z tohto extrémne horúceho obdobia prenikne do vesmíru a bude detekovateľné. V dôsledku rozšírenia vesmíru odhadovali, že toto žiarenie v pozadí by malo mať nízku teplotu 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - len päť stupňov nad absolútnou nulou - čo zodpovedá mikrovlnným vlnovým dĺžkam. Až v roku 1964 sa zistili prvé dôkazy o CMB.

Bol to výsledok toho, že americkí astronómovia Arno Penzias a Robert Wilson používali rádiometer Dicke, ktorý zamýšľali použiť na experimenty v rádiovej astronómii a satelitnej komunikácii. Pri prvom meraní však zistili prekročenie teploty antény 4,2 K, ktorú nedokázali pripísať, a bolo ich možné vysvetliť iba prítomnosťou žiarenia v pozadí. Za ich objav dostali Penzias a Wilson v roku 1978 Nobelovu cenu za fyziku.

Zistenie CMB bolo spočiatku zdrojom sporu medzi zástancami rôznych kozmologických teórií. Zatiaľ čo zástancovia teórie Veľkého tresku tvrdili, že išlo o „reliktné žiarenie“, ktoré zostalo po Veľkom tresku, zástancovia teórie ustáleného štátu tvrdili, že je to výsledok rozptýleného hviezdneho svetla zo vzdialených galaxií. V 70. rokoch sa však objavil vedecký konsenzus, ktorý uprednostňoval výklad Veľkého tresku.

Počas osemdesiatych rokov pozemné prístroje stanovili stále prísnejšie limity teplotných rozdielov CMB. Patria sem sovietska misia RELIKT-1 na palube satelitu Prognoz 9 (ktorá bola zahájená v júli 1983) a misia NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (ktorej zistenia boli uverejnené v roku 1992). Za svoju prácu získal tím COBE v roku 2006 Nobelovu cenu za fyziku.

COBE tiež zistil prvý akustický vrchol CMB, akustické oscilácie v plazme, ktoré zodpovedajú zmenám hustoty vo veľkom meradle v ranom vesmíre, ktoré boli spôsobené gravitačnými nestabilitami. V priebehu nasledujúceho desaťročia nasledovalo mnoho experimentov, ktoré pozostávali z experimentov založených na zemi a balóne, ktorých cieľom bolo poskytnúť presnejšie merania prvého akustického vrcholu.

Druhý akustický pík bol predbežne detegovaný niekoľkými experimentmi, ale nebol definitívne detegovaný, kým nebola v roku 2001 nasadená mikrovlnná anizotropná sonda Wilkinson (WMAP). V rokoch 2001 až 2010, keď bola misia ukončená, WMAP detegoval aj tretí pík. Od roku 2010 monitoruje CMB viacero misií s cieľom poskytnúť lepšie merania polarizácie a malé zmeny hustoty v mierke.

Patria medzi ne pozemné teleskopy ako QUEST v DASI (QUaD) a južný pól ďalekohľadu na stanici Amudsen-Scott South Pole, a dalekohľad Atacama Cosmology Telescope a Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) v Čile. Medzitým Európska vesmírna agentúra Planck kozmická loď naďalej meria CMB z vesmíru.

Budúcnosť CMB:

Podľa rôznych kozmologických teórií sa vesmír v určitom okamihu môže prestať rozširovať a môže sa začať zvrátiť, čo vyvrcholí kolapsom nasledovaným ďalším veľkým treskom. teória Big Crunch. V inom scenári, známom ako Big Rip, bude expanzia vesmíru nakoniec viesť k roztrhnutiu všetkej hmoty a časopriestoru.

Ak ani jeden z týchto scenárov nie je správny a vesmír sa naďalej rozširuje zrýchľujúcou sa rýchlosťou, CMB bude pokračovať v presúvaní do bodu, kde už nie je možné zistiť. V tomto bode bude prekonaný prvým hviezdnym svetlom vytvoreným vo Vesmíre a potom žiarením pozadia, ktoré produkujú procesy, o ktorých sa predpokladá, že sa uskutočnia v budúcnosti Vesmíru.

Tu sme napísali veľa zaujímavých článkov o kozmickom mikrovlnnom pozadí tu v časopise Space Magazine. Tu je Čo je to kozmické mikrovlnné žiarenie na pozadí ?, Teória veľkého tresku: Vývoj nášho vesmíru, čo bola kozmická inflácia? Úloha pochopiť najskorší vesmír, objav medzníkov: nové výsledky poskytujú priame dôkazy o kozmickej inflácii a ako rýchlo sa vesmír rozširuje? Hubble a Gaia sa spoja, aby uskutočnili doteraz najpresnejšie merania.

Viac informácií nájdete na misijnej stránke NASA WMAP a na misijnej stránke Planck ESA.

Astronomy Cast má tiež informácie o téme. Počúvajte tu: Epizóda 5 - Pozadie Veľkého tresku a Kozmického mikrovlnného žiarenia

zdroj: