Για χιλιάδες χρόνια, ο άνθρωπος μελετά το Σύμπαν και επιδιώκει να καθορίσει την πραγματική του έκταση. Μέχρι τον 20ο αιώνα, οι επιστήμονες άρχισαν να καταλαβαίνουν πόσο μεγάλο (και ίσως ακόμη και ατελείωτο) είναι πραγματικά το Σύμπαν.
Και κατά τη διάρκεια της ματιάς στο διάστημα και βαθύτερα στο παρελθόν, οι κοσμολόγοι έχουν ανακαλύψει μερικά πραγματικά καταπληκτικά πράγματα. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960, οι αστρονόμοι γνώρισαν την ακτινοβολία φόντου μικροκυμάτων που ήταν ανιχνεύσιμη σε όλες τις κατευθύνσεις. Γνωστό ως το Κοσμικό Φούρνο Μικροκυμάτων (CMB), η ύπαρξη αυτής της ακτινοβολίας βοήθησε στην ενημέρωση της κατανόησής μας για το πώς ξεκίνησε το Σύμπαν.
Περιγραφή:
Το CMB είναι ουσιαστικά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που έχει απομείνει από την πρώτη κοσμολογική εποχή που διαπερνά ολόκληρο το Σύμπαν. Πιστεύεται ότι σχηματίστηκε περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big Bang και περιέχει λεπτές ενδείξεις για το πώς σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες. Ενώ αυτή η ακτινοβολία είναι αόρατη χρησιμοποιώντας οπτικά τηλεσκόπια, τα ραδιο τηλεσκόπια είναι σε θέση να ανιχνεύσουν το εξασθενημένο σήμα (ή λάμψη) που είναι ισχυρότερο στην περιοχή μικροκυμάτων του ραδιοφάσματος.
Το CMB είναι ορατό σε απόσταση 13,8 δισεκατομμυρίων ετών φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις από τη Γη, οδηγώντας επιστήμονες να διαπιστώσουν ότι αυτή είναι η πραγματική εποχή του Σύμπαντος. Ωστόσο, δεν αποτελεί ένδειξη της πραγματικής έκτασης του Σύμπαντος. Δεδομένου ότι ο χώρος βρίσκεται σε κατάσταση επέκτασης από την αρχή του Σύμπαντος (και επεκτείνεται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός), το CMB είναι απλώς το πιο μακρινό πίσω στο χρόνο που μπορούμε να δούμε.
Σχέση με το Big Bang:
Το CMB είναι το επίκεντρο της θεωρίας του Big Bang και των σύγχρονων κοσμολογικών μοντέλων (όπως το μοντέλο Lambda-CDM). Όπως συμβαίνει η θεωρία, όταν το Σύμπαν γεννήθηκε πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, όλη η ύλη συμπυκνώθηκε σε ένα μόνο σημείο άπειρης πυκνότητας και ακραίας θερμότητας. Λόγω της υπερβολικής θερμότητας και της πυκνότητας της ύλης, η κατάσταση του Σύμπαντος ήταν εξαιρετικά ασταθής. Ξαφνικά, αυτό το σημείο άρχισε να επεκτείνεται και το Σύμπαν όπως το ξέρουμε ξεκίνησε.
Αυτή τη στιγμή, ο χώρος ήταν γεμάτος με μια ομοιόμορφη λάμψη λευκών-καυτών σωματιδίων πλάσματος - που αποτελούνταν από πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια και φωτόνια (φως). Μεταξύ 380.000 και 150 εκατομμυρίων ετών μετά το Big Bang, τα φωτόνια αλληλεπιδρούν διαρκώς με ελεύθερα ηλεκτρόνια και δεν μπορούσαν να ταξιδέψουν σε μεγάλες αποστάσεις. Ως εκ τούτου, γιατί αυτή η εποχή αναφέρεται ως «Σκοτεινές Εποχές».
Καθώς το Σύμπαν συνέχισε να επεκτείνεται, ψύχθηκε στο σημείο όπου τα ηλεκτρόνια ήταν σε θέση να συνδυαστούν με πρωτόνια για να σχηματίσουν άτομα υδρογόνου (γνωστή και ως Περίοδος ανασυνδυασμού). Ελλείψει ελεύθερων ηλεκτρονίων, τα φωτόνια μπόρεσαν να κινηθούν ανεμπόδιστα στο Σύμπαν και άρχισε να εμφανίζεται όπως συμβαίνει σήμερα (δηλαδή διαφανές και διαπερατό από το φως). Κατά τη διάρκεια των δισεκατομμυρίων ετών, το Σύμπαν συνέχισε να επεκτείνεται και να κρυώνει πολύ.
Λόγω της επέκτασης του χώρου, τα μήκη κύματος των φωτονίων αυξήθηκαν (έγιναν «ερυθρά μετατοπισμένα») σε περίπου 1 χιλιοστόμετρο και η αποτελεσματική τους θερμοκρασία μειώθηκε λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Αυτά τα φωτόνια γεμίζουν το Space Magazine και εμφανίζονται ως λάμψη στο παρασκήνιο που μπορεί να ανιχνευθεί στα μήκη κύματος των υπερύθρων και του ραδιοφώνου.
Ιστορία της μελέτης:
Η ύπαρξη του CMB θεωρήθηκε για πρώτη φορά από τον Ουκρανό-Αμερικανό φυσικό George Gamow, μαζί με τους μαθητές του, Ralph Alpher και Robert Herman, το 1948. Αυτή η θεωρία βασίστηκε στις μελέτες τους σχετικά με τις συνέπειες της νουκλεοσύνθεσης των ελαφριών στοιχείων (υδρογόνο, ήλιο και λίθιο) κατά τη διάρκεια του πολύ πρώιμου Σύμπαντος. Ουσιαστικά, συνειδητοποίησαν ότι για να συνθέσουν τους πυρήνες αυτών των στοιχείων, το πρώιμο Σύμπαν έπρεπε να είναι εξαιρετικά ζεστό.
Υποστήριξαν περαιτέρω ότι η εναπομείνασα ακτινοβολία από αυτήν την εξαιρετικά καυτή περίοδο θα διείσδυζε το Σύμπαν και θα ήταν ανιχνεύσιμη. Λόγω της επέκτασης του Σύμπαντος, υπολόγισαν ότι αυτή η ακτινοβολία υποβάθρου θα είχε χαμηλή θερμοκρασία 5 K (-268 ° C, -450 ° F) - μόλις πέντε μοίρες πάνω από το απόλυτο μηδέν - που αντιστοιχεί σε μήκη κύματος μικροκυμάτων. Μόλις το 1964 εντοπίστηκαν τα πρώτα στοιχεία για το CMB.
Αυτό ήταν το αποτέλεσμα των Αμερικανών αστρονόμων Άρνο Πενζίας και Ρόμπερτ Γουίλσον χρησιμοποιώντας το ραδιόμετρο Dicke, το οποίο είχαν σκοπό να χρησιμοποιήσουν για πειράματα ραδιοαστρονομίας και δορυφορικής επικοινωνίας. Ωστόσο, όταν πραγματοποίησαν την πρώτη τους μέτρηση, παρατήρησαν περίσσεια θερμοκρασίας 4,2Κ κεραίας που δεν μπορούσαν να εξηγήσουν και μπορούσαν να εξηγηθούν μόνο με την παρουσία ακτινοβολίας υποβάθρου. Για την ανακάλυψή τους, οι Penzias και Wilson απονεμήθηκαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1978.
Αρχικά, η ανίχνευση του CMB ήταν μια πηγή διαμάχης μεταξύ υποστηρικτών διαφορετικών κοσμολογικών θεωριών. Ενώ οι υποστηρικτές της θεωρίας του Big Bang ισχυρίστηκαν ότι αυτή ήταν η «ακτινοβολία λειψάνων» που είχε απομείνει από το Big Bang, οι υποστηρικτές της θεωρίας Steady State ισχυρίστηκαν ότι ήταν το αποτέλεσμα διάσπαρτου αστεριού από μακρινούς γαλαξίες. Ωστόσο, μέχρι τη δεκαετία του 1970, μια επιστημονική συναίνεση είχε προκύψει που ευνόησε την ερμηνεία του Big Bang.
Κατά τη δεκαετία του 1980, τα επίγεια όργανα έθεσαν όλο και πιο αυστηρά όρια στις διαφορές θερμοκρασίας του CMB. Σε αυτά περιλαμβάνονται η αποστολή της Σοβιετικής RELIKT-1 στο δορυφόρο Prognoz 9 (που ξεκίνησε τον Ιούλιο του 1983) και η αποστολή της NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (ποια ευρήματα δημοσιεύθηκαν το 1992). Για την εργασία τους, η ομάδα COBE έλαβε το βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 2006.
Η COBE εντόπισε επίσης την πρώτη ακουστική κορυφή του CMB, ακουστικές ταλαντώσεις στο πλάσμα που αντιστοιχεί σε παραλλαγές πυκνότητας μεγάλης κλίμακας στο πρώιμο σύμπαν που δημιουργήθηκαν από βαρυτικές αστάθειες. Ακολούθησαν πολλά πειράματα την επόμενη δεκαετία, τα οποία αποτελούνταν από πειράματα με βάση το έδαφος και το μπαλόνι, σκοπός των οποίων ήταν να παράσχουν ακριβέστερες μετρήσεις της πρώτης ακουστικής κορυφής.
Η δεύτερη ακουστική κορυφή εντοπίστηκε προσωρινά από διάφορα πειράματα, αλλά δεν εντοπίστηκε οριστικά έως ότου το Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) αναπτύχθηκε το 2001. Μεταξύ του 2001 και του 2010, όταν ολοκληρώθηκε η αποστολή, το WMAP εντόπισε επίσης μια τρίτη κορυφή. Από το 2010, πολλές αποστολές παρακολουθούν το CMB για να παρέχουν βελτιωμένες μετρήσεις της πόλωσης και μικρών διακυμάνσεων στην πυκνότητα.
Αυτά περιλαμβάνουν επίγεια τηλεσκόπια, όπως το QUEST at DASI (QUaD) και το τηλεσκόπιο South Pole στο σταθμό Amudsen-Scott South Pole, και το τηλεσκόπιο κοσμολογίας Atacama και Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) στη Χιλή. Εν τω μεταξύ, η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος Planck το διαστημικό σκάφος συνεχίζει να μετρά το CMB από το διάστημα.
Το μέλλον της CMB:
Σύμφωνα με διάφορες κοσμολογικές θεωρίες, το Σύμπαν μπορεί σε κάποιο σημείο να σταματήσει να επεκτείνεται και να αρχίσει να αντιστρέφεται, καταλήγοντας σε κατάρρευση ακολουθούμενο από ένα άλλο Big Bang - γνωστό και ως. η θεωρία του Big Crunch. Σε ένα άλλο σενάριο, γνωστό ως Big Rip, η επέκταση του Σύμπαντος θα οδηγήσει τελικά σε όλη την ύλη και τον ίδιο τον χωροχρόνο.
Εάν κανένα από αυτά τα σενάρια δεν είναι σωστό και το Σύμπαν συνεχίσει να επεκτείνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, το CMB θα συνεχίσει να μετατοπίζεται στο σημείο που δεν είναι πλέον ανιχνεύσιμο. Σε αυτό το σημείο, θα ξεπεραστεί από το πρώτο αστέρι που δημιουργήθηκε στο Σύμπαν και στη συνέχεια από τα πεδία ακτινοβολίας υποβάθρου που παράγονται από διαδικασίες που υποτίθεται ότι θα πραγματοποιηθούν στο μέλλον του Σύμπαντος.
Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για το Cosmic Microwave Background εδώ στο Space Magazine. Εδώ είναι τι είναι η κοσμική ακτινοβολία φόντου μικροκυμάτων;, Θεωρία Big Bang: Εξέλιξη του σύμπαντός μας, Τι ήταν ο κοσμικός πληθωρισμός; Η αναζήτηση για την κατανόηση του πρώτου σύμπαντος, Ανακάλυψη ορόσημο: Νέα αποτελέσματα παρέχουν άμεσες αποδείξεις για τον κοσμικό πληθωρισμό και πόσο γρήγορα επεκτείνεται το σύμπαν; Η ομάδα Hubble και Gaia μέχρι να πραγματοποιήσει τις πιο ακριβείς μετρήσεις μέχρι σήμερα.
Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στη σελίδα αποστολής WMAP της NASA και στη σελίδα αποστολής Planck της ESA.
Το Astronomy Cast έχει επίσης πληροφορίες για το θέμα. Ακούστε εδώ: Επεισόδιο 5 - Το Big Bang και το κοσμικό φούρνο μικροκυμάτων
Πηγές:
- ESA - Planck και το κοσμικό φούρνο μικροκυμάτων
- Η Φυσική του Σύμπαντος - Κοσμική Ιστορικό Ακτινοβολία
- Cosmos - Κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων
- Wikipedia - Κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων
