I tusentals år har människan begrundat universum och försökt fastställa dess verkliga omfattning. Och medan forntida filosofer trodde att världen bestod av en skiva, en ziggurat eller en kub omgiven av himmelska hav eller någon form av eter, öppnade utvecklingen av modern astronomi deras ögon för nya gränser. På 1900-talet började forskare förstå hur stort (och kanske till och med oändligt) universum verkligen är.
Och under loppet av att titta längre ut i rymden, och djupare tillbaka i tiden, har kosmologer upptäckt några verkligt fantastiska saker. Till exempel, under 1960-talet blev astronomer medvetna om mikrovågsbakgrundsstrålning som kunde detekteras i alla riktningar. Känd som den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), har förekomsten av denna strålning hjälpt till att informera vår förståelse av hur universum började.
Beskrivning:
CMB är i huvudsak elektromagnetisk strålning som är över från den tidigaste kosmologiska epok som genomsyrar hela universum. Den tros ha bildats cirka 380 000 år efter Big Bang och innehåller subtila indikationer på hur de första stjärnorna och galaxerna bildades. Även om denna strålning är osynlig med optiska teleskop, kan radioteleskop upptäcka den svaga signalen (eller glöden) som är starkast i mikrovågsområdet i radiospektrumet.
CMB är synlig på ett avstånd av 13,8 miljarder ljusår i alla riktningar från jorden, vilket får forskare att fastställa att detta är universums sanna ålder. Det är dock inte en indikation på universums verkliga omfattning. Med tanke på att rymden har varit i ett tillstånd av expansion ända sedan det tidiga universum (och expanderar snabbare än ljusets hastighet), är CMB bara den längst bakåt i tiden vi kan se.
Förhållande till Big Bang:
CMB är central för Big Bang teorin och moderna kosmologiska modeller (som Lambda-CDM modell). Som teorin säger, när universum föddes för 13,8 miljarder år sedan, kondenserades all materia till en enda punkt med oändlig densitet och extrem värme. På grund av den extrema värmen och materiens densitet var universums tillstånd mycket instabilt. Plötsligt började denna punkt expandera, och universum som vi känner det började.
Vid denna tidpunkt var rymden fylld med en enhetlig glöd av vitheta plasmapartiklar – som bestod av protoner, neutroner, elektroner och fotoner (ljus). Mellan 380 000 och 150 miljoner år efter Big Bang interagerade fotonerna ständigt med fria elektroner och kunde inte resa långa sträckor. Därför kallas denna epok i vardagsspråket för 'den mörka medeltiden'.
När universum fortsatte att expandera kyldes det till en punkt där elektroner kunde kombineras med protoner för att bilda väteatomer (aka. Rekombinationsperioden). I frånvaro av fria elektroner kunde fotonerna röra sig obehindrat genom universum och det började se ut som det gör idag (dvs genomskinligt och genomträngt av ljus). Under de mellanliggande miljarderna år fortsatte universum att expandera och svalna kraftigt.
På grund av utvidgningen av rymden växte fotonernas våglängder (blev 'rödförskjutna') till ungefär 1 millimeter och deras effektiva temperatur minskade till strax över absoluta nollpunkten – 2,7 Kelvin (-270 °C; -454 °F). Dessa fotoner fyller universum idag och framträder som en bakgrundsglöd som kan detekteras i de långt infraröda och radiovåglängderna.
Studiehistoria:
Existensen av CMB teoretiserades först av den ukrainsk-amerikanske fysikern George Gamow, tillsammans med hans elever, Ralph Alpher och Robert Herman, 1948. Denna teori baserades på deras studier av konsekvenserna av nukleosyntes av lätta element (väte, helium och litium) under det mycket tidiga universum. I huvudsak insåg de att det tidiga universum behövde vara extremt varmt för att kunna syntetisera kärnorna i dessa element.
Universums tidslinje Big Bang. Kosmiska neutriner påverkar CMB vid den tidpunkt då den sänds ut, och fysiken tar hand om resten av deras utveckling fram till idag. Bildkredit: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
De teoretiserade vidare att den överblivna strålningen från denna extremt varma period skulle tränga igenom universum och kunna upptäckas. På grund av universums expansion uppskattade de att denna bakgrundsstrålning skulle ha en låg temperatur på 5 K (-268 °C; -450 °F) – bara fem grader över absolut noll – vilket motsvarar mikrovågsvåglängder. Det var inte förrän 1964 som de första bevisen för CMB upptäcktes.
Detta var resultatet av att de amerikanska astronomerna Arno Penzias och Robert Wilson använde Dicke-radiometern, som de hade tänkt använda för radioastronomi och satellitkommunikationsexperiment. Men när de utförde sin första mätning märkte de ett överskott på 4,2K antenntemperatur som de inte kunde redogöra för och endast kunde förklaras av närvaron av bakgrundsstrålning. För sin upptäckt tilldelades Penzias och Wilson Nobelpriset i fysik 1978.
Till en början var upptäckten av CMB en källa till stridigheter mellan förespråkare för olika kosmologiska teorier. Medan förespråkare för Big Bang Theory hävdade att detta var 'relikstrålningen' som blev över från Big Bang, hävdade förespråkare för Steady State Theory att det var resultatet av spritt stjärnljus från avlägsna galaxer. Men på 1970-talet hade en vetenskaplig konsensus uppstått som gynnade Big Bang-tolkningen.
All-sky-data erhållna av ESA:s Planck-uppdrag, som visar de olika våglängderna. Kredit: ESA
Under 1980-talet satte markbaserade instrument allt strängare gränser för temperaturskillnaderna i CMB. Dessa inkluderade sovjeten RELIK-1 uppdrag ombord på Prognoz 9-satelliten (som sköts upp i juli 1983) och NASA Kosmisk bakgrundsutforskare (COBE) uppdrag (vems resultat publicerades 1992). För sitt arbete fick COBE-teamet Nobelpriset i fysik 2006.
COBE upptäckte också CMB:s första akustiska topp, akustiska svängningar i plasman som motsvarar storskaliga densitetsvariationer i det tidiga universum skapat av gravitationsinstabilitet. Många experiment följde under det kommande decenniet, som bestod av mark- och ballongbaserade experiment vars syfte var att ge mer exakta mätningar av den första akustiska toppen.
Den andra akustiska toppen detekterades preliminärt av flera experiment, men upptäcktes inte definitivt förrän Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) utplacerades 2001. Mellan 2001 och 2010, när uppdraget avslutades, upptäckte WMAP också en tredje topp. Sedan 2010 har flera uppdrag övervakat CMB för att ge förbättrade mätningar av polarisationen och småskaliga variationer i densitet.
Dessa inkluderar markbaserade teleskop som QUEST på DASI (QuaD) och Sydpolen teleskop vid Amudsen-Scott South Pole Station, och Atacama kosmologiteleskop och Q/U Imaging Experiment (TYST) teleskop i Chile. Samtidigt har Europeiska rymdorganisationen Planckrymdskepp fortsätter att mäta CMB från rymden.
Framtiden för CMB:
Enligt olika kosmologiska teorier kan universum någon gång sluta expandera och börja vända, vilket kulminerar i en kollaps följt av ytterligare en Big Bang – aka. de Stort Crunch teori. I ett annat scenario, känt som Stor Rip , universums expansion kommer så småningom att leda till att all materia och själva rumtiden slits isär.
Om inget av dessa scenarier är korrekta, och universum fortsatte att expandera i en accelererande hastighet, kommer CMB att fortsätta rödförskjutas till en punkt där den inte längre är detekterbar. Vid denna tidpunkt kommer det att omköras av det första stjärnljuset som skapas i universum, och sedan av bakgrundsstrålningsfält som produceras av processer som antas kommer att äga rum i universums framtid.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om den kosmiska mikrovågsbakgrunden här på Universe Today. Här är Vad är den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen? , Big Bang Theory: Evolution av vårt universum , Vad var kosmisk inflation? Strävan efter att förstå det tidigaste universum , Landmark Discovery: Nya resultat ger direkta bevis för kosmisk inflation , och Hur snabbt expanderar universum? Hubble och Gaia samarbetar för att utföra de mest exakta mätningarna hittills .
För mer information, kolla in NASA:s WMAP-uppdragssida och ESA Planck uppdragssida .
Astronomy Cast har också information om ämnet. Lyssna nu: Avsnitt 5 – The Big Bang and Cosmic Microwave Bakgrund
Källor:
