Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma attēls, ko 2013. gadā uzņēma Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) satelīts Planck, parāda nelielas atšķirības debesīs
(Attēls: © ESA / Planck Collaboration)
Tiek uzskatīts, ka kosmiskais mikroviļņu fons (CMB) ir lielais sprādziena radītais starojums vai laiks, kad sākās Visums. Kad teorija iet, tad, kad Visums piedzima, tā piedzīvoja strauju inflāciju un paplašināšanos. (Visums šodien joprojām paplašinās, un paplašināšanās ātrums šķiet atšķirīgs atkarībā no tā, kur skatāties). CMB attēlo siltumu, kas palicis no Lielā sprādziena.
Jūs nevarat redzēt CMB ar neapbruņotu aci, bet tas ir visur Visumā. Cilvēkiem tas nav pamanāms, jo ir tik auksts, tikai 2,725 grādus virs absolūtās nulles (mīnus 459,67 grādi pēc Fārenheita vai mīnus 273,15 grādi pēc Celsija.) Tas nozīmē, ka tā starojums ir visredzamāk redzams elektromagnētiskā spektra mikroviļņu daļā.
Izcelsme un atklājums
Visums sākās pirms 13,8 miljardiem gadu, un CMB radās apmēram 400 000 gadu pēc Lielā sprādziena. Tas ir tāpēc, ka Visuma agrīnajā posmā, kad tas bija tikai simtmiljona lielums, kāds tas ir šodien, tā temperatūra bija ārkārtēja: 273 miljoni grādi virs absolūtā nulle, saskaņā ar NASA.
Visi tajā laikā esošie atomi ātri sadalījās mazās daļiņās (protonos un elektronos). CMB starojums fotonos (daļiņās, kas attēlo gaismas kvantus, vai citāds starojums) tika izkliedēts no elektroniem. "Tādējādi fotoni klīst pa agro Visumu, tāpat kā optiskā gaisma klīst pa blīvu miglu," rakstīja NASA.
Apmēram 380 000 gadu pēc Lielā sprādziena Visums bija pietiekami atdzisis, lai varētu veidoties ūdeņradis. Tā kā triecienūdeņradi CMB fotoni gandrīz neietekmē, fotoni pārvietojas taisnās līnijās. Kosmologi atsaucas uz "pēdējās izkliedes virsmu", kad CMB fotoni pēdējo reizi skāra lietu; pēc tam Visums bija par lielu. Kartējot CMB, mēs atskatāmies uz laiku līdz 380 000 gadiem pēc Lielā sprādziena, tieši pēc tam, kad Visums bija necaurspīdīgs pret radiāciju.
Amerikāņu kosmologs Ralfs Ahers pirmo reizi prognozēja CMB 1948. gadā, kad viņš strādāja kopā ar Robertu Hermanu un Džordžu Gamovu, vēsta NASA. Komanda veica pētījumus saistībā ar Lielā sprādziena nukleosintēzi vai elementu ražošanu Visumā, izņemot vieglāko ūdeņraža izotopu (tipu). Šis ūdeņraža tips tika izveidots ļoti agri Visuma vēsturē.
Bet CMB vispirms tika atrasts nejauši. 1965. gadā divi pētnieki ar Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias un Robert Wilson) izveidoja radiouztvērēju un bija neizpratnē par tā radīto troksni. Viņi drīz vien saprata, ka troksnis vienmērīgi nāk no visām debesīm. Tajā pašā laikā Prinstonas universitātes komanda (Roberta Dika vadībā) mēģināja atrast CMB. Dicke komanda ieguva Bell eksperimenta vēju un saprata, ka CMB ir atrasta.
Abas komandas ātri publicēja dokumentus Astrophysical Journal 1965. gadā, Penzias un Wilson runājot par redzēto, un Dicke komanda izskaidrojot, ko tas nozīmē Visuma kontekstā. (Vēlāk gan Penzias, gan Wilson abi saņēma 1978. gada Nobela prēmiju fizikā).
Studē sīkāk
CMB ir noderīga zinātniekiem, jo tā palīdz mums uzzināt, kā izveidojās agrīnais Visums. Tas ir vienmērīgā temperatūrā, ar precīziem teleskopiem redzamas tikai nelielas svārstības. "Pētot šīs svārstības, kosmologi var uzzināt par galaktiku izcelsmi un galaktiku liela mēroga struktūrām un viņi var izmērīt Lielā sprādziena teorijas pamatparametrus," rakstīja NASA.
Kamēr CMB daļas tika kartētas nākamajās desmitgadēs pēc tās atklāšanas, pirmā kosmosā bāzētā pilnīgo debesu karte nāca no NASA Kosmiskā fona pētnieka (COBE) misijas, kas tika uzsākta 1989. gadā un pārtrauca zinātniskās operācijas 1993. gadā. Šis “mazuļa attēls” ”, Kā to dēvē NASA, apstiprināja Lielā sprādziena teorijas prognozes un parādīja arī kosmiskās uzbūves mājienus, kas līdz šim nebija redzēti. 2006. gadā Nobela prēmija fizikā tika piešķirta COBE zinātniekiem Džonam Maternam NASA Goddard kosmosa lidojumu centrā un Džordžam Smootam Kalifornijas universitātē Bērklijā.
Detalizētāka karte tika iegūta 2003. gadā, pateicoties Wilkinson mikroviļņu anizotropijas zondei (WMAP), kas tika palaista 2001. gada jūnijā un pārtrauca zinātnisko datu vākšanu 2010. gadā. Pirmais attēls bija saistīts ar Visuma vecumu 13,7 miljardi gadu (mērījums kopš tā laika tika precizēts līdz 13,8 miljardiem). gadi) un arī atklāja pārsteigumu: vecākās zvaigznes sāka spīdēt apmēram 200 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena, daudz agrāk, nekā tika prognozēts.
Zinātnieki sekoja šiem rezultātiem, izpētot ļoti agrīnos Visuma inflācijas posmus (triljonā sekundē pēc veidošanās) un īsi pēc tā veidošanās sniedzot precīzākus parametrus par atomu blīvumu, Visuma vienreizīgumu un citām Visuma īpašībām. Viņi redzēja arī dīvainu vidējās temperatūras asimetriju abās debesu puslodēs un "auksto vietu", kas bija lielāka nekā gaidīts. WMAP komanda par darbu saņēma 2018. gada izrāviena balvu pamata fizikā.
2013. gadā tika izlaisti dati no Eiropas Kosmosa aģentūras Planck kosmiskā teleskopa, parādot visaugstākās precizitātes CMB attēlu. Zinātnieki ar šo informāciju atklāja vēl vienu noslēpumu: CMB svārstības lielos leņķa mērogos neatbilda prognozēm. Planks arī apstiprināja WMAP redzēto asimetrijas un aukstuma vietas ziņā. Planka galīgā datu izlaišana 2018. gadā (misija darbojās no 2009. līdz 2013. gadam) parādīja vairāk pierādījumu tam, ka tumšā matērija un tumšā enerģija - noslēpumaini spēki, kas, iespējams, ir aiz Visuma paātrinājuma - eksistē.
Citos pētniecības centienos ir mēģināts aplūkot dažādus CMB aspektus. Viens no tiem ir polarizācijas veidu noteikšana, kurus sauc par E režīmiem (kurus Antarktīdā atklāja 2002. gada Antarktikas bāzes leņķa skalas interferometrs) un B režīmiem. B režīmus var radīt no E režīmu gravitācijas objektīvu (šo objektīvu pirmo reizi redzēja Dienvidpola teleskops 2013. gadā) un gravitācijas viļņu (kas pirmo reizi tika novēroti 2016. gadā, izmantojot uzlaboto lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatoriju jeb LIGO). Tika teikts, ka 2014. gadā Antarktikas bāzētais BICEP2 instruments ir atradis gravitācijas viļņu B režīmus, bet turpmāki novērojumi (ieskaitot darbu no Planck) parādīja, ka šie rezultāti bija saistīti ar kosmiskajiem putekļiem.
Sākot ar 2018. gada vidu, zinātnieki joprojām meklē signālu, kas parādīja īsu Visuma straujas paplašināšanās periodu neilgi pēc Lielā sprādziena. Tajā laikā Visums kļuva lielāks par ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu. Ja tas notika, pētniekiem ir aizdomas, ka tam vajadzētu būt redzamam CMB, izmantojot polarizācijas formu. Tajā gadā veikts pētījums liecināja, ka nanodimantu mirdzums rada vāju, bet pamanāmu gaismu, kas traucē kosmiskajiem novērojumiem. Tagad, kad šis spīdums ir ņemts vērā, turpmākie izmeklējumi to varētu noņemt, lai labāk meklētu vāju polarizāciju CMB, tolaik sacīja pētījuma autori.
Papildu resurss
- NASA: Lielā sprādziena testi: CMB
