Obrázek kosmického mikrovlnného záření na pozadí, pořízeného satelitem Planck Evropské vesmírné agentury (ESA) v roce 2013, ukazuje malé odchylky na obloze
(Obrázek: © ESA / Planck Collaboration)
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je považováno za zbytkové záření z Velkého třesku nebo v době, kdy začal vesmír. Jak se teorie ubírá, když se vesmír narodil, podstoupil rychlou inflaci a expanzi. (Vesmír se stále rozšiřuje a rychlost expanze se liší v závislosti na tom, kde se podíváte). CMB představuje teplo, které zbylo z Velkého třesku.
Nemůžete vidět CMB pouhým okem, ale je to všude ve vesmíru. To je pro člověka neviditelné, protože je tak chladné, jen 2,725 stupňů nad absolutní nulou (mínus 459,67 stupňů Fahrenheita nebo mínus 273,15 stupňů Celsia.) To znamená, že jeho záření je nejviditelnější v mikrovlnné části elektromagnetického spektra.
Původy a objevy
Vesmír začal před 13,8 miliardami let a CMB sahá asi do 400 000 let po Velkém třesku. Je tomu tak proto, že v počátečních stádiích vesmíru, když to bylo jen sto milionů miliónů velikosti, jakou je dnes, byla jeho teplota extrémní: 273 milionů stupňů výše absolutní nula, podle NASA.
Všechny atomy přítomné v té době byly rychle rozděleny na malé částice (protony a elektrony). Záření z CMB ve fotonech (částice představující kvantum světla nebo jiné záření) bylo rozptýleno od elektronů. „Fotony tak putovaly ranným vesmírem, stejně jako optické světlo putuje hustou mlhou,“ napsal NASA.
Asi 380 000 let po Velkém třesku byl vesmír dost chladný, aby se mohl tvořit vodík. Protože fotony CMB jsou sotva ovlivněny zasažením vodíku, fotony se pohybují po přímkách. Kosmologové odkazují na „povrch posledního rozptylu“, když CMB fotony naposledy zasáhly hmotu; poté byl vesmír příliš velký. Takže když mapujeme CMB, díváme se zpět v čase na 380 000 let po Velkém třesku, těsně poté, co byl vesmír neprůhledný vůči záření.
Americký kosmolog Ralph Apher poprvé předpovídal CMB v roce 1948, když pracoval s Robertem Hermanem a George Gamowem, podle NASA. Tým prováděl výzkum týkající se nukleosyntézy Big Bang nebo výroby prvků ve vesmíru kromě nejlehčího izotopu (typu) vodíku. Tento typ vodíku byl vytvořen velmi brzy v historii vesmíru.
Ale CMB byl poprvé nalezen náhodou. V roce 1965 dva vědci s Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias a Robert Wilson) vytvářeli rozhlasový přijímač a byli zmateni hlukem, který zaznamenával. Brzy si uvědomili, že hluk přichází rovnoměrně z celé oblohy. Ve stejné době se tým na Princetonské univerzitě (vedený Robertem Dickem) pokoušel najít CMB. Dickeho tým dostal vítr z Bellova experimentu a zjistil, že byl nalezen CMB.
Oba týmy v roce 1965 rychle publikovaly články v Astrophysical Journal, s Penziasem a Wilsonem o tom, co viděli, a Dickeho tým vysvětlil, co to znamená v kontextu vesmíru. (Později, Penzias a Wilson oba obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1978).
Podrobnější studium
CMB je užitečná pro vědce, protože nám pomáhá dozvědět se, jak byl vytvořen raný vesmír. Je na jednotné teplotě a s přesnými dalekohledy jsou viditelné pouze malé výkyvy. „Studiem těchto fluktuací se mohou kosmologové dozvědět o původu galaxií a rozsáhlých struktur galaxií a mohou měřit základní parametry teorie velkého třesku,“ napsal NASA.
Zatímco části CMB byly mapovány v následujících desetiletích po svém objevu, první vesmírná mapa s plným nebem přišla z mise NASA Cosmic Background Explorer (COBE), která byla zahájena v roce 1989 a ukončila vědecké operace v roce 1993. Tento „dětský obrázek“ ”Vesmíru, jak to nazývá NASA, potvrdily předpovědi teorie velkého třesku a také ukázaly náznaky vesmírné struktury, které dříve nebyly vidět. V roce 2006 byla Nobelova cena za fyziku udělena vědcům COBE Johnu Matherovi v NASA Goddard Space Flight Center a George Smootovi na University of California v Berkeley.
Podrobnější mapa přišla v roce 2003 se svolením Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), která byla spuštěna v červnu 2001 a zastavila shromažďování vědeckých údajů v roce 2010. První obrázek upozornil na věk vesmíru na 13,7 miliardy let (měření se od té doby zpřesnilo na 13,8 miliardy) let) a také odhalilo překvapení: nejstarší hvězdy začaly svítit asi 200 milionů let po Velkém třesku, mnohem dříve, než se předpokládalo.
Vědci sledovali tyto výsledky studiem velmi časných inflačních stadií vesmíru (v biliontině sekundy po formaci) a poskytováním přesnějších parametrů hustoty atomů, hrudkovitosti vesmíru a dalších vlastností vesmíru krátce po jeho vytvoření. Viděli také podivnou asymetrii průměrných teplot v obou polokoulích oblohy a „chladné místo“, které bylo větší, než se očekávalo. Tým WMAP obdržel za svou práci v roce 2018 průlomovou cenu za základní fyziku.
V roce 2013 byla zveřejněna data z kosmického dalekohledu Planck Evropské kosmické agentury, což ukazuje dosud nejvyšší přesnost obrazu CMB. Vědci odhalili další tajemství s touto informací: Kolísání v CMB ve velkých úhlových měřítcích neodpovídalo předpovědím. Planck také potvrdil, co WMAP viděl z hlediska asymetrie a studeného místa. Planckovo konečné zveřejnění dat v roce 2018 (mise fungovala v letech 2009 až 2013) ukázalo více důkazů, že se zdá, že temná hmota a temná energie - tajemné síly, které jsou pravděpodobně za zrychlením vesmíru - skutečně existují.
Jiné výzkumné úsilí se pokusilo podívat se na různé aspekty CMB. Jedním z nich je určování typů polarizace zvané E-režimy (objevené v Antarktidě na základě úhlového stupnice interferometru v roce 2002) a B-režimy. B-režimy lze získat z gravitačních čoček E-režimů (tento objektiv byl poprvé pozorován dalekohledem jižního pólu v roce 2013) a gravitačních vln (které byly poprvé pozorovány v roce 2016 pomocí gravitační vlnové observatoře pro laserový interferometr nebo LIGO). V roce 2014 prý nástroj BICEP2 založený na Antarktidě našel B-režimy gravitační vlny, ale další pozorování (včetně práce od Plancka) ukázalo, že tyto výsledky byly způsobeny kosmickým prachem.
V polovině roku 2018 vědci stále hledají signál, který krátce po Velkém třesku ukázal krátkou dobu rychlého vesmíru. V té době vesmír rostl rychleji než rychlost světla. Pokud k tomu dojde, vědci mají podezření, že by to mělo být viditelné v CMB formou polarizace. Studie toho roku naznačila, že záře nanodiamondů vytváří slabé, ale rozeznatelné světlo, které ruší kosmická pozorování. Nyní, když je tato záře započítána, by ji budoucí výzkum mohl odstranit, aby lépe hledal slabou polarizaci v CMB, uvedli autoři studie.
Další zdroj
- NASA: Testy Big Bang: CMB
