CO JE TO COSMIC MICROWAVE BACKGROUND?

Send

Po tisíce let člověk uvažuje o vesmíru a snaží se určit jeho skutečný rozsah. Do 20. století vědci začali chápat, jak velký (a možná i nekončící) vesmír skutečně je.

Kosmologové objevili některé opravdu úžasné věci, když se dívali dál do vesmíru a hlouběji zpět v čase. Například během šedesátých let si astronomové uvědomili mikrovlnné pozadí, které bylo detekovatelné ve všech směrech. Existence tohoto záření, známého jako kosmické mikrovlnné pozadí (CMB), pomohla informovat naše chápání toho, jak začal vesmír.

Popis:

CMB je v podstatě elektromagnetické záření, které zbylo z nejstarší kosmologické epochy, která prochází celým vesmírem. Předpokládá se, že se vytvořil asi 380 000 let po Velkém třesku a obsahuje jemné náznaky toho, jak se vytvořily první hvězdy a galaxie. Zatímco toto záření je neviditelné pomocí optických dalekohledů, radioteleskopy jsou schopné detekovat slabý signál (nebo záře), který je nejsilnější v mikrovlnné oblasti rádiového spektra.

CMB je viditelná ve vzdálenosti 13,8 miliard světelných let ve všech směrech od Země, což vede vědce k určení, že toto je skutečný věk vesmíru. Není to však náznak skutečného rozsahu vesmíru. Vzhledem k tomu, že prostor byl ve stavu expanze již od raného vesmíru (a rozšiřuje se rychleji než rychlost světla), CMB je jen nejvzdálenější zpět v čase, který jsme schopni vidět.

Vztah k Velkému třesku:

CMB je ústřední pro teorii velkého třesku a moderní kosmologické modely (například model Lambda-CDM). Jak se říká teorie, když se vesmír narodil před 13,8 miliardami let, veškerá hmota byla kondenzována do jediného bodu nekonečné hustoty a extrémního tepla. Kvůli extrémnímu teplu a hustotě hmoty byl stav vesmíru velmi nestabilní. Najednou se tento bod začal rozšiřovat a vesmír, jak ho známe, začal.

V této době byl prostor naplněn rovnoměrným zářením bílých horkých plazmatických částic - které sestávaly z protonů, neutronů, elektronů a fotonů (světlo). Mezi 380 000 a 150 miliony let po Velkém třesku fotony neustále interagovaly s volnými elektrony a nemohly cestovat na velké vzdálenosti. Proto je tato epocha hovorově nazývána „temným věkem“.

Jak vesmír pokračoval v expanzi, ochladil se do bodu, kdy se elektrony mohly kombinovat s protony a tvořit atomy vodíku (aka. Recombination Period). V nepřítomnosti volných elektronů se fotony mohly volně pohybovat vesmírem a začaly se objevovat jako dnes (tj. Průhledné a prostupované světlem). Po dobu několika miliard let se vesmír dále rozrůstal a chladil.

V důsledku rozšíření prostoru vlnové délky fotonů rostly (staly se „redshifted“) na zhruba 1 milimetr a jejich efektivní teplota klesla na těsně nad absolutní nulu - 2,7 kelvinů (-270 ° C; -454 ° F). Tyto fotony vyplňují Space Magazine a objevují se jako pozadí záře, kterou lze detekovat ve vzdálených infračervených a rádiových vlnových délkách.

Dějiny studia:

Existenci CMB nejprve teoretizoval ukrajinsko-americký fyzik George Gamow spolu se svými studenty Ralphem Alpherem a Robertem Hermanem v roce 1948. Tato teorie byla založena na jejich studiích důsledků nukleosyntézy světelných prvků (vodík, hélium a lithium) během velmi raného vesmíru. V podstatě si uvědomili, že aby bylo možné syntetizovat jádra těchto prvků, musí být raný vesmír extrémně horký.

Dále se domnívali, že zbytkové záření z tohoto extrémně horkého období pronikne do vesmíru a bude detekovatelné. Kvůli expanzi vesmíru, oni odhadovali, že toto pozadí záření by mělo nízkou teplotu 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - jen pět stupňů nad absolutní nula - což odpovídá mikrovlnným vlnovým délkám. Teprve v roce 1964 byly detekovány první důkazy o CMB.

To byl výsledek amerických astronomů Arno Penziase a Roberta Wilsona, kteří používali Dickeho radiometr, který měli v úmyslu použít pro experimenty s radioastronomií a satelitní komunikaci. Při provádění prvního měření si však všimli nadměrné teploty antény 4,2 K, kterou nemohli vysvětlit, a bylo možné ji vysvětlit pouze přítomností záření pozadí. Za jejich objev získali Penzias a Wilson v roce 1978 Nobelovu cenu za fyziku.

Zpočátku byla detekce CMB zdrojem sporu mezi zastánci různých kosmologických teorií. Zatímco zastáncové Teorie velkého třesku tvrdili, že se jedná o „relikvální záření“, které zbylo z Velkého třesku, zastáncové Teorie ustáleného státu argumentovali, že to bylo výsledkem rozptýleného hvězdného světla ze vzdálených galaxií. Avšak v 70. letech 20. století se objevil vědecký konsenzus, který upřednostňoval interpretaci Velkého třesku.

Během osmdesátých let pozemní přístroje kladly stále přísnější meze teplotních rozdílů CMB. Mezi ně patřila sovětská mise RELIKT-1 na palubě družice Prognoz 9 (která byla zahájena v červenci 1983) a mise NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (jejíž zjištění byla zveřejněna v roce 1992). Za svou práci získal tým COBE Nobelovu cenu za fyziku v roce 2006.

COBE také detekoval první akustický pík CMB, akustické oscilace v plazmě, což odpovídá variacím hustoty ve velkém měřítku v časném vesmíru vytvořeným gravitační nestabilitou. V průběhu příštího desetiletí následovalo mnoho experimentů, které sestávaly z experimentů založených na zemi a balónu, jejichž účelem bylo poskytnout přesnější měření prvního akustického píku.

Druhý akustický vrchol byl pokusně detekován několika experimenty, ale nebyl definitivně detekován, dokud nebyla v roce 2001 rozmístěna Wilkinsonova mikrovlnná anizotropní sonda (WMAP). V letech 2001 až 2010, kdy byla mise ukončena, WMAP také detekoval třetí vrchol. Od roku 2010 monitorovalo CMB více misí, aby poskytovaly zlepšená měření polarizace a malé změny hustoty v měřítku.

Patří sem pozemní dalekohledy, jako je QUEST na DASI (QUaD) a dalekohled South Pole na stanici Amudsen-Scott South Pole Station, a dalekohled Atacama Cosmology Telescope a Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) dalekohled v Chile. Mezitím je to Evropská kosmická agentura Planck kosmická loď pokračuje v měření CMB z vesmíru.

Budoucnost CMB:

Podle různých kosmologických teorií se vesmír může v určitém okamžiku přestat rozšiřovat a začít se obracet, což vyvrcholí kolapsem následovaným dalším Velkým třeskem - aka. teorie Big Crunch. V jiném scénáři, známém jako Velký rip, bude expanze vesmíru nakonec vést k roztržení veškeré hmoty a časoprostoru.

Pokud žádný z těchto scénářů není správný a vesmír pokračoval v expanzi rychlostí, CMB bude pokračovat v přesměrování do bodu, kde již není detekovatelný. V tomto bodě to bude předjato prvním hvězdným světlem vytvořeným ve vesmíru, a pak radiačními poli pozadí vytvářenými procesy, o nichž se předpokládá, bude probíhat v budoucnosti vesmíru.

Zde jsme v Space Magazine napsali mnoho zajímavých článků o kosmickém mikrovlnném pozadí. Zde je Co je to kosmické mikrovlnné záření na pozadí ?, Teorie velkého třesku: Evoluce našeho vesmíru, jaká byla kosmická inflace? Pátrání po nejranějším vesmíru, objev mezník: Nové výsledky poskytují přímé důkazy o kosmické inflaci a jak rychle se vesmír rozšiřuje? Hubble a Gaia spolupracují na provádění dosud nejpřesnějších měření.

Další informace naleznete na stránce mise NASA WMAP a na misijní stránce ESA Planck.

Astronomy Cast má také informace o předmětu. Poslouchejte zde: 5. Díl (The Big Bang and Cosmic Microwave Background)

Zdroje: