MIS ON KOSMILISE MIKROLAINE TAUST?

Send

Inimesed on tuhandeid aastaid kaalunud universumit ja püüdnud kindlaks teha selle tegelikku ulatust. 20. sajandiks hakkasid teadlased mõistma, kui ulatuslik (ja võib-olla isegi lõpmatu) Universum tegelikult on.

Kosmoloogid on kosmosest kaugemale vaatamise ja sügavama aja jooksul avastanud mõned tõeliselt hämmastavad asjad. Näiteks 1960. aastatel said astronoomid teada mikrolaine taustkiirgusest, mis oli tuvastatav igas suunas. Kosmilise mikrolaine taustana (CMB) tuntud kiirguse olemasolu on aidanud meil mõista, kuidas universum alguse sai.

Kirjeldus:

CMB on sisuliselt elektromagnetiline kiirgus, mis jääb üle kogu Universumit ümbritsevast kõige varasemast kosmoloogilisest ajastust. Arvatakse, et see on moodustunud umbes 380 000 aastat pärast Suurt Pauku ja sisaldab peent viidet esimeste tähtede ja galaktikate moodustumise kohta. Kuigi see kiirgus on optiliste teleskoopide abil nähtamatu, suudavad raadioteleskoobid tuvastada nõrka signaali (või hõõguvust), mis on raadiospektri mikrolaine piirkonnas kõige tugevam.

CMB on nähtav Maast kõigis suundades 13,8 miljardi valgusaasta kaugusel, mis viib teadlaste järeldusele, et see on Universumi tõeline vanus. See ei tähenda siiski Universumi tegelikku ulatust. Arvestades, et kosmos on laienemisseisundis olnud juba varasest universumist saadik (ja laieneb kiiremini kui valguse kiirus), on CMB kõige kaugemal aja jooksul, mida me võime näha.

Seos suure pauguga:

CMB on Suure Paugu teooria ja kaasaegsete kosmoloogiliste mudelite (näiteks Lambda-CDM mudeli) keskmes. Kui teooria läheb, siis kui Universum sündis 13,8 miljardit aastat tagasi, oli kogu aine kondenseerunud lõpmatu tiheduse ja äärmise kuumuse ühte punkti. Aine äärmiselt kuumuse ja tiheduse tõttu oli Universumi seisund väga ebastabiilne. Järsku hakkas see punkt laienema ja algas universum, nagu me seda teame.

Sel ajal oli ruum täidetud ühtlaselt kuumade kuumade plasmaosakeste säraga - mis koosnes prootonitest, neutronitest, elektronidest ja footonitest (valgus). Ajavahemikul 380 000–150 miljonit aastat pärast Suurt Pauku toimusid footonid pidevalt vabade elektronidega ja ei suutnud pikki vahemaid läbida. Seetõttu nimetatakse seda ajastut kõneaegade järgi pimedaks ajajärguks.

Universumi laienedes jahtus see punktini, kus elektronid suutsid prootonitega kombineerida, moodustades vesinikuaatomeid (aka. Rekombinatsiooniperiood). Vabade elektronide puudumisel suutsid footonid takistamatult liikuda läbi Universumi ja see hakkas ilmnema nagu tänapäeval (s.o läbipaistev ja valguse läbi imbunud). Miljardite aastate jooksul jätkas Universum laienemist ja jahenes suuresti.

Ruumi laienemise tõttu kasvasid footonite lainepikkused (muutusid punaseks) umbes 1 millimeetriks ja nende efektiivne temperatuur langes veidi üle absoluutse nulli - 2,7 kelvinit (-270 ° C; -454 ° F). Need footonid täidavad ajakirja Space ja ilmuvad taustvalgusena, mida saab tuvastada nii infrapuna- kui ka raadiolainepikkustes.

Õppe ajalugu:

CMB olemasolu teoreetiliselt esitas 1948. aastal Ukraina-Ameerika füüsik George Gamow koos oma õpilaste Ralph Alpheri ja Robert Hermaniga. See teooria põhines nende uurimisel kergete elementide (vesiniku, heeliumi ja liitium) väga varase universumi ajal. Põhimõtteliselt mõistsid nad, et nende elementide tuumade sünteesimiseks pidi varane Universum olema äärmiselt kuum.

Nad teoreetiliselt edasi, et selle äärmiselt kuuma perioodi jääkkiirgus tungib universumisse ja on tuvastatav. Universumi laienemise tõttu olid nad selle taustkiirguse madala temperatuuriga 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - vaid viis kraadi üle absoluutse nulli -, mis vastab mikrolaine lainepikkustele. Alles 1964. aastal avastati KMA esimesed tõendid.

Selle põhjustasid Ameerika astronoomid Arno Penzias ja Robert Wilson Dicke radiomeetri abil, mida nad olid kavatsenud kasutada raadioastronoomia ja satelliitside eksperimentide jaoks. Esimese mõõtmise ajal märkasid nad aga 4,2K antenni temperatuuri ületamist, mida nad ei suutnud arvestada ja mida saab seletada ainult taustkiirguse olemasoluga. Avastuse eest pälvisid Penzias ja Wilson 1978. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Algselt tekitas CMB tuvastamine vaidlusi erinevate kosmoloogiliste teooriate pooldajate vahel. Kui Suure Paugu teooria pooldajad väitsid, et see oli Suurest Paugust üle jäänud “reliktiivne kiirgus”, siis Püsiseisundi teooria pooldajad väitsid, et see oli kaugetest galaktikatest hajutatud tähevalguse tagajärg. 1970. aastateks oli aga tekkinud teaduslik konsensus, mis soosis Suure Paugu tõlgendust.

1980ndatel seadsid maapealsed instrumendid CMB temperatuuri erinevustele üha rangemad piirid. Nende hulka kuulusid Nõukogude RELIKT-1 missioon satelliit Prognoz 9 (mis käivitati 1983. aasta juulis) ja NASA kosmilise taustauurija (COBE) missioon (kelle leiud avaldati 1992. aastal). COBE meeskond sai oma töö eest 2006. aastal Nobeli füüsikapreemia.

COBE tuvastas ka CMB esimese akustilise piigi, akustilised võnkumised plasmas, mis vastab varajase universumi suuremahulistele tiheduse kõikumistele, mis on tingitud gravitatsioonilisest ebastabiilsusest. Järgmisel kümnendil järgnes palju katseid, mis koosnesid maapealsetest ja õhupallidel põhinevatest katsetest, mille eesmärk oli esimese akustiliste piikide täpsemad mõõtmised.

Teist akustilist piiki tuvastati mitme katsega esialgu, kuid seda ei suudetud lõplikult tuvastada enne Wilkinsoni mikrolaine anisotroopiasondi (WMAP) kasutuselevõtmist 2001. aastal. Ajavahemikul 2001–2010, mil missioon lõppes, tuvastas WMAP ka kolmanda piigi. Alates 2010. aastast on CMB-d jälginud mitu missiooni, et võimaldada polarisatsiooni ja tiheduse väikeste erinevuste paremat mõõtmist.

Nende hulka kuuluvad maapealsed teleskoobid, nagu QUEST at DASI (QUaD) ja Lõunapooluse teleskoop Amudsen-Scotti lõunapooluse jaamas ning Atacama kosmoloogiline teleskoop ja Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) teleskoop Tšiilis. Vahepeal Euroopa Kosmoseagentuuri Planck kosmoseaparaat jätkab CMB mõõtmist kosmosest.

KMA tulevik:

Erinevate kosmoloogiliste teooriate kohaselt võib Universum mingil hetkel lainetada ja hakata tagurdama, kulmineerudes kokkuvarisemisega, millele järgneb teine Suur Pauk - aka. Big Crunchi teooria. Teise stsenaariumi korral, mida nimetatakse suureks ripiks, viib Universumi laienemine lõpuks kogu mateeria ja kosmoseaja enda eraldamiseni.

Kui kumbki neist stsenaariumidest pole õige ja Universum jätkas kiirenevat laienemist, jätkab CMB punase nihkumist punktini, kus see pole enam tuvastatav. Sel hetkel võtab selle üle esimene tähevalgus, mis on loodud universumis, ja seejärel universumi tulevikus toimuvad taustkiirgusväljad, mida põhjustavad eeldatavalt toimuvad protsessid.

Oleme siin kosmoseajakirjas kirjutanud palju huvitavaid artikleid kosmilise mikrolaine tausta kohta. Siin on Mis on kosmilise mikrolaine taustkiirgus ?, Suure paugu teooria: meie universumi evolutsioon, mis oli kosmiline inflatsioon? Varaseima universumi mõistmise püüdlus, maamärkide avastus: uued tulemused pakuvad otsest tõendusmaterjali kosmilise inflatsiooni kohta ja kui kiiresti universum laieneb? Hubble'i ja Gaia meeskond tegutseb seni kõige täpsemate mõõtmiste tegemiseks.

Lisateabe saamiseks vaadake NASA WMAP-i missioonilehte ja ESA Planck-missiooni lehte.

Astronoomiaosakonnal on selleteemalist teavet ka. Kuulake siin: Episood 5 - Suur pauk ja kosmiline mikrolaine taust

Allikad: