Μια εικόνα της κοσμικής ακτινοβολίας φόντου μικροκυμάτων, που λήφθηκε από τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA) το 2013, δείχνει τις μικρές παραλλαγές στον ουρανό
(Εικόνα: © ESA / Planck Collaboration)
Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) θεωρείται ότι έχει απομείνει ακτινοβολία από το Big Bang, ή τη στιγμή που ξεκίνησε το σύμπαν. Καθώς η θεωρία πηγαίνει, όταν γεννήθηκε το σύμπαν, υπέστη ταχύτατο πληθωρισμό και επέκταση. (Το σύμπαν επεκτείνεται ακόμα και ο ρυθμός επέκτασης εμφανίζεται διαφορετικός ανάλογα με το πού κοιτάζετε). Το CMB αντιπροσωπεύει τη θερμότητα που απομένει από το Big Bang.
Δεν μπορείτε να δείτε το CMB με γυμνό μάτι, αλλά είναι παντού στο σύμπαν. Είναι αόρατο για τον άνθρωπο επειδή είναι τόσο κρύο, μόλις 2,725 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (μείον 459,67 βαθμούς Φαρενάιτ ή μείον 273,15 βαθμούς Κελσίου.) Αυτό σημαίνει ότι η ακτινοβολία του είναι πιο ορατή στο τμήμα μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Προέλευση και ανακάλυψη
Το σύμπαν ξεκίνησε πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια και το CMB χρονολογείται σε περίπου 400.000 χρόνια μετά το Big Bang. Αυτό συμβαίνει επειδή στα πρώτα στάδια του σύμπαντος, όταν ήταν μόλις εκατό εκατομμύριο το μέγεθος που είναι σήμερα, η θερμοκρασία του ήταν ακραία: 273 εκατομμύρια βαθμοί πάνω από απόλυτο μηδέν, σύμφωνα με τη NASA.
Τυχόν άτομα που υπήρχαν εκείνη τη στιγμή χωρίστηκαν γρήγορα σε μικρά σωματίδια (πρωτόνια και ηλεκτρόνια). Η ακτινοβολία από το CMB σε φωτόνια (σωματίδια που αντιπροσωπεύουν κβάντα φωτός ή άλλη ακτινοβολία) διασκορπίστηκε στα ηλεκτρόνια. "Έτσι, τα φωτόνια περιπλανήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν, όπως ακριβώς το οπτικό φως περιπλανιέται σε μια πυκνή ομίχλη", έγραψε η NASA.
Περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν αρκετά δροσερό ώστε να μπορούσε να σχηματιστεί υδρογόνο. Επειδή τα φωτόνια CMB επηρεάζονται μόλις από το χτύπημα του υδρογόνου, τα φωτόνια ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές. Οι κοσμολόγοι αναφέρονται σε μια "επιφάνεια της τελευταίας σκέδασης" όταν τα φωτόνια CMB τελευταία χτυπήθηκαν. μετά από αυτό, το σύμπαν ήταν πολύ μεγάλο. Έτσι, όταν χαρτογραφούμε το CMB, κοιτάμε πίσω στο χρόνο σε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αμέσως μετά το σύμπαν ήταν αδιαφανές στην ακτινοβολία.
Ο Αμερικανός κοσμολόγος Ralph Apher προέβλεψε για πρώτη φορά το CMB το 1948, όταν έκανε δουλειά με τον Robert Herman και τον George Gamow, σύμφωνα με τη NASA. Η ομάδα πραγματοποίησε έρευνα σχετικά με την πυρηνικοσύνθεση Big Bang ή την παραγωγή στοιχείων στο σύμπαν εκτός από το ελαφρύτερο ισότοπο (τύπος) υδρογόνου. Αυτός ο τύπος υδρογόνου δημιουργήθηκε πολύ νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος.
Αλλά το CMB βρέθηκε για πρώτη φορά κατά λάθος. Το 1965, δύο ερευνητές με τα Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias και Robert Wilson) δημιούργησαν έναν ραδιοφωνικό δέκτη και μπερδεύτηκαν από τον θόρυβο που έπαιρνε. Συνειδητοποίησαν σύντομα ότι ο θόρυβος ήρθε ομοιόμορφα από όλο τον ουρανό. Ταυτόχρονα, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον (με επικεφαλής τον Robert Dicke) προσπαθούσε να βρει το CMB. Η ομάδα του Dicke πήρε το πείραμα του Bell και συνειδητοποίησε ότι βρέθηκε το CMB.
Και οι δύο ομάδες δημοσίευσαν γρήγορα άρθρα στο Astrophysical Journal το 1965, με τους Penzias και Wilson να μιλούν για αυτό που είδαν, και η ομάδα του Dicke να εξηγεί τι σημαίνει στο πλαίσιο του σύμπαντος. (Αργότερα, ο Πενζίας και ο Γουίλσον έλαβαν και οι δύο το Βραβείο Νόμπελ του 1978 στη φυσική).
Μελέτη με περισσότερες λεπτομέρειες
Το CMB είναι χρήσιμο στους επιστήμονες γιατί μας βοηθά να μάθουμε πώς σχηματίστηκε το πρώιμο σύμπαν. Είναι σε ομοιόμορφη θερμοκρασία με μόνο μικρές διακυμάνσεις ορατές με ακριβή τηλεσκόπια. «Μελετώντας αυτές τις διακυμάνσεις, οι κοσμολόγοι μπορούν να μάθουν για την προέλευση των γαλαξιών και τις μεγάλης κλίμακας δομές των γαλαξιών και μπορούν να μετρήσουν τις βασικές παραμέτρους της θεωρίας του Big Bang», έγραψε η NASA.
Ενώ τμήματα του CMB χαρτογραφήθηκαν τις επόμενες δεκαετίες μετά την ανακάλυψή του, ο πρώτος διαστημικός χάρτης πλήρους ουρανού προήλθε από την αποστολή Cosmic Background Explorer (COBE) της NASA, η οποία ξεκίνησε το 1989 και σταμάτησε τις επιστημονικές δραστηριότητες το 1993. "Του σύμπαντος, όπως το αποκαλεί η NASA, επιβεβαίωσε τις προβλέψεις της θεωρίας του Big Bang και έδειξε επίσης υπαινιγμούς κοσμικής δομής που δεν είχαν δει πριν. Το 2006, το βραβείο Νόμπελ στη φυσική απονεμήθηκε στους επιστήμονες της COBE John Mather στο Κέντρο Διαστημικής Πτήσης Goddard της NASA και στον George Smoot στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.
Ένας πιο λεπτομερής χάρτης ήρθε το 2003 με ευγενική παραχώρηση του Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), το οποίο ξεκίνησε τον Ιούνιο του 2001 και σταμάτησε να συλλέγει επιστημονικά δεδομένα το 2010. Η πρώτη εικόνα έφτασε στην ηλικία του σύμπαντος στα 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια (μια μέτρηση από τότε που βελτιώθηκε στα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια) και αποκάλυψε επίσης μια έκπληξη: τα παλαιότερα αστέρια άρχισαν να λάμπουν περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, πολύ νωρίτερα από το προβλεπόμενο.
Οι επιστήμονες παρακολούθησαν αυτά τα αποτελέσματα μελετώντας τα πολύ πρώιμα στάδια πληθωρισμού του σύμπαντος (στο τρισεκατομμύριο δευτερόλεπτο μετά τον σχηματισμό) και δίνοντας πιο ακριβείς παραμέτρους σχετικά με την πυκνότητα των ατόμων, την ατέλειωτη υφή του και άλλες ιδιότητες του σύμπαντος αμέσως μετά τη δημιουργία του. Είδαν επίσης μια παράξενη ασυμμετρία στις μέσες θερμοκρασίες και στα δύο ημισφαίρια του ουρανού, και σε ένα «κρύο σημείο» που ήταν μεγαλύτερο από το αναμενόμενο. Η ομάδα του WMAP έλαβε το βραβείο πρωτοποριακής φυσικής του 2018 για τη δουλειά τους.
Το 2013, κυκλοφόρησαν δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, δείχνοντας την εικόνα με την υψηλότερη ακρίβεια του CMB. Οι επιστήμονες αποκάλυψαν ένα άλλο μυστήριο με αυτές τις πληροφορίες: Οι διακυμάνσεις στο CMB σε μεγάλες γωνιακές κλίμακες δεν ταιριάζουν με τις προβλέψεις. Ο Planck επιβεβαίωσε επίσης τι είδε το WMAP όσον αφορά την ασυμμετρία και το ψυχρό σημείο. Η τελική κυκλοφορία δεδομένων του Planck το 2018 (η αποστολή λειτούργησε μεταξύ 2009 και 2013) έδειξε περισσότερη απόδειξη ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια - μυστηριώδεις δυνάμεις που είναι πιθανό πίσω από την επιτάχυνση του σύμπαντος - φαίνεται να υπάρχουν.
Άλλες ερευνητικές προσπάθειες προσπάθησαν να εξετάσουν διαφορετικές πτυχές του CMB. Ο ένας προσδιορίζει τους τύπους πόλωσης που ονομάζονται E-modes (ανακαλύφθηκαν από το Interferometer Degree Angular Scale Interferometer το 2002) και B-modes. Οι B-modes μπορούν να παραχθούν από βαρυτικό φακό των E-modes (αυτός ο φακός φαινόταν για πρώτη φορά από το τηλεσκόπιο South Pole το 2013) και τα βαρυτικά κύματα (που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2016 χρησιμοποιώντας το Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory ή LIGO). Το 2014, το όργανο BICEP2 με έδρα την Ανταρκτική λέγεται ότι βρήκε βαρυτικούς τρόπους Β, αλλά η περαιτέρω παρατήρηση (συμπεριλαμβανομένης της εργασίας του Planck) έδειξε ότι αυτά τα αποτελέσματα οφείλονται στην κοσμική σκόνη.
Από τα μέσα του 2018, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναζητούν το σήμα που έδειξε μια σύντομη περίοδο γρήγορης επέκτασης του σύμπαντος λίγο μετά το Big Bang. Εκείνη την εποχή, το σύμπαν γινόταν μεγαλύτερο με ρυθμό πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός. Εάν συνέβη αυτό, οι ερευνητές υποπτεύονται ότι αυτό θα πρέπει να είναι ορατό στο CMB μέσω μιας μορφής πόλωσης. Μια μελέτη εκείνη τη χρονιά έδειξε ότι μια λάμψη από νανοδιαμάντια δημιουργεί ένα αχνό, αλλά διακριτό, φως που παρεμβαίνει στις κοσμικές παρατηρήσεις. Τώρα που έχει ληφθεί υπόψη αυτή η λάμψη, οι μελλοντικές έρευνες θα μπορούσαν να το αφαιρέσουν για να αναζητήσουν καλύτερα την εξασθενημένη πόλωση στο CMB, δήλωσαν τότε οι συγγραφείς της μελέτης.
Πρόσθετος πόρος
- NASA: Δοκιμές Big Bang: Το CMB
