Cilvēks tūkstošiem gadu ir domājis par Visumu un mēģinājis noteikt tā patieso apmēru. Līdz 20. gadsimtam zinātnieki sāka saprast, cik plašs (un varbūt pat nebeidzams) Visums patiesībā ir.
Un, meklējot kosmosā plašāk, un dziļāk laika gaitā, kosmologi ir atklājuši dažas patiesi pārsteidzošas lietas. Piemēram, 1960. gados astronomi uzzināja par mikroviļņu fona starojumu, kas bija nosakāms visos virzienos. Pazīstams kā kosmiskais mikroviļņu fons (CMB), šī starojuma esamība ir palīdzējusi informēt mūsu izpratni par Visuma sākumu.
Apraksts:
CMB būtībā ir elektromagnētiskais starojums, kas palicis pāri no agrākā kosmoloģiskā laikmeta, kas caurvij visu Visumu. Tiek uzskatīts, ka tas ir izveidojies apmēram 380 000 gadu pēc Lielā sprādziena un satur smalkas norādes par to, kā veidojās pirmās zvaigznes un galaktikas. Kamēr šis starojums nav redzams, izmantojot optiskos teleskopus, radioteleskopi spēj noteikt vāju signālu (vai mirdzumu), kas ir spēcīgākais radio spektra mikroviļņu apgabalā.
CMB ir redzams 13,8 miljardu gaismas gadu attālumā visos virzienos no Zemes, kā rezultātā zinātnieki noskaidro, ka šis ir patiesais Visuma vecums. Tomēr tas neliecina par Visuma patieso apmēru. Ņemot vērā to, ka kosmoss kopš agrīnā Visuma ir bijis paplašināšanās stāvoklī (un tas paplašinās ātrāk nekā gaismas ātrums), CMB ir tikai tālākais tālākais laiks, ko mēs varam redzēt.
Saistība ar lielo sprādzienu:
CMB ir centrālā loma Lielā sprādziena teorijā un mūsdienu kosmoloģiskajos modeļos (piemēram, Lambda-CDM modelī). Tā kā teorija iet, kad Visums dzima pirms 13,8 miljardiem gadu, visa matērija tika kondensēta vienā bezgalīga blīvuma un ārkārtēja karstuma punktā. Materiāla ārkārtīgā karstuma un blīvuma dēļ Visuma stāvoklis bija ļoti nestabils. Pēkšņi šis punkts sāka paplašināties, un Visums, kā mēs to zinām, sākās.
Šajā laikā telpa bija piepildīta ar vienmērīgu balti karstu plazmas daļiņu mirdzumu - kas sastāvēja no protoniem, neitroniem, elektroniem un fotoniem (gaismas). Laikā no 380 000 līdz 150 miljoniem gadu pēc Lielā sprādziena fotoni pastāvīgi mijiedarbojās ar brīvajiem elektroniem un nespēja pārvietoties lielos attālumos. Tāpēc šo laikmetu sarunvalodā sauc par “tumšajiem laikiem”.
Tā kā Visums turpināja paplašināties, tas atdzisa līdz vietai, kur elektroni spēja apvienoties ar protoniem, veidojot ūdeņraža atomus (pazīstams arī kā rekombinācijas periods). Ja nebija brīvu elektronu, fotoni varēja netraucēti pārvietoties pa Visumu, un tas sāka parādīties tāds, kāds tas ir šodien (t.i., caurspīdīgs un gaismas caurlaidīgs). Miljardiem gadu laikā Visums turpināja paplašināties un ievērojami atdzisa.
Sakarā ar kosmosa paplašināšanos fotonu viļņu garumi pieauga (kļuva “sarkani nobīdīti”) līdz aptuveni 1 milimetram, un to faktiskā temperatūra pazeminājās līdz nedaudz virs absolūtās nulles - 2,7 kelviniem (-270 ° C; -454 ° F). Šie fotoni aizpilda žurnālu Space un parādās kā fona mirdzums, ko var noteikt tālu infrasarkanajā un radio viļņu garumā.
Studiju vēsture:
CMB pastāvēšanu 1948. gadā vispirms teorēja ukraiņu-amerikāņu fiziķis Džordžs Gamovs kopā ar saviem studentiem Ralfu Alferu un Robertu Hermanu. Šīs teorijas pamatā bija viņu pētījumi par gaismas elementu (ūdeņraža, hēlija un litijs) ļoti agrīnā Visuma laikā. Būtībā viņi saprata, ka, lai sintezētu šo elementu kodolus, agrīnajam Visumam ir jābūt ārkārtīgi karstam.
Viņi turpināja teorētiski, ka šī ārkārtīgi karstā perioda pārpalikums izstaros Visumu un būs nosakāms. Sakarā ar Visuma izplešanos, viņi lēsa, ka šī fona starojumam būs zema temperatūra 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - tikai piecus grādus virs absolūtās nulles -, kas atbilst mikroviļņu viļņu garumiem. Tikai 1964. gadā tika atklāti pirmie CMB pierādījumi.
Tas bija amerikāņu astronomu Arno Penzias un Roberta Wilson rezultāts, izmantojot Dicke radiometru, kuru viņi bija paredzējuši izmantot radioastronomijas un satelīta sakaru eksperimentiem. Tomēr, veicot pirmo mērījumu, viņi pamanīja 4,2K antenas temperatūras pārsniegumu, ko viņi nevarēja ņemt vērā un varēja izskaidrot tikai ar fona starojuma klātbūtni. Par atklājumu Penziasam un Vilsonam 1978. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Sākotnēji CMB noteikšana bija strīdu avots starp dažādu kosmoloģisko teoriju atbalstītājiem. Kamēr Lielā sprādziena teorijas piekritēji apgalvoja, ka tas ir “relikts starojums”, kas palicis pāri no Lielā sprādziena, Stingrā stāvokļa teorijas piekritēji apgalvoja, ka tas ir izkliedētas zvaigžņu gaismas rezultāts no tālām galaktikām. Tomēr līdz 70. gadiem bija izveidojusies zinātniska vienprātība, kas deva priekšroku Lielā sprādziena interpretācijai.
Astoņdesmitajos gados uz zemes bāzētie instrumenti uzlika arvien stingrākus ierobežojumus CMB temperatūras atšķirībām. Tajos ietilpa padomju RELIKT-1 misija uz satelīta Prognoz 9 (kas tika palaists 1983. gada jūlijā) un NASA Kosmiskā fona pētnieka (COBE) misija (kuru atradumi tika publicēti 1992. gadā). Par viņu darbu COBE komanda 2006. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.
COBE arī atklāja CMB pirmo akustisko maksimumu, akustiskās svārstības plazmā, kas atbilst liela mēroga blīvuma izmaiņām agrīnajā Visumā, ko rada gravitācijas nestabilitāte. Nākamajā desmitgadē sekoja daudzi eksperimenti, kas sastāvēja no eksperimentiem uz zemes un gaisa baloniem, kuru mērķis bija sniegt precīzākus pirmā akustiskā pīķa mērījumus.
Otro akustisko virsotni provizoriski atklāja ar vairākiem eksperimentiem, taču tā netika galīgi atklāta, līdz 2001. gadā tika atvērta Vilkinsona mikroviļņu anizotropijas zonde (WMAP). Laikā no 2001. līdz 2010. gadam, kad misija tika pabeigta, WMAP atklāja arī trešo virsotni. Kopš 2010. gada CMB uzrauga vairākas misijas, lai nodrošinātu labākus polarizācijas mērījumus un neliela mēroga blīvuma izmaiņas.
Tie ietver uz zemes bāzētus teleskopus, piemēram, QUEST pie DASI (QUaD) un Dienvidpola teleskopu Amudsena-Skota dienvidpola stacijā, kā arī Atacama kosmoloģijas teleskopu un Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) teleskopu Čīlē. Tikmēr Eiropas Kosmosa aģentūra Planks kosmosa kuģis turpina mērīt CMB no kosmosa.
CMB nākotne:
Saskaņā ar dažādām kosmoloģiskām teorijām Visums kādā brīdī var pārstāt paplašināties un sākt mainīt, kulminācijā sabrukums, kam seko cits Lielais sprādziens - aka. lielā krīzē teorija. Citā scenārijā, kas pazīstams kā Lielais pārrāvums, Visuma paplašināšanās galu galā novedīs pie tā, ka visa matērija un pats kosmosa laiks tiks sagrauti.
Ja neviens no šiem scenārijiem nav pareizs un Visums turpināja paplašināties ar straujāku ātrumu, CMB turpinās sarkano pāreju uz punktu, kur tas vairs nav nosakāms. Šajā brīdī to apņem pirmā Visuma radītā zvaigžņu gaisma, un pēc tam Visuma nākotnē notiks fona starojuma lauki, ko rada procesi, par kuriem tiek pieņemts, ka tie notiks.
Mēs esam uzrakstījuši daudz interesantu rakstu par kosmisko mikroviļņu fonu šeit, Space Magazine. Lūk, kas ir kosmiskā mikroviļņu fona starojums ?, lielā sprādziena teorija: mūsu Visuma evolūcija, kas bija kosmiskā inflācija? Meklējumi izprast agrāko Visumu, ievērojams atklājums: jauni rezultāti sniedz tiešus pierādījumus kosmiskajai inflācijai un cik ātri Visums paplašinās? Habla un Gajas komanda gatavojas veikt visprecīzākos mērījumus līdz šim.
Lai iegūtu papildinformāciju, apskatiet NASA WMAP misijas lapu un ESA Planck misijas lapu.
Astronomijas cast ir arī informācija par šo tēmu. Klausieties šeit: 5. epizode - lielais sprādziens un kosmiskais mikroviļņu fons
Avoti:
- ESA - Planks un kosmiskais mikroviļņu fons
- Visuma fizika - kosmiskais fona starojums
- Kosmoss - kosmiskais mikroviļņu fons
- Wikipedia - kosmiskais mikroviļņu fons
