De mii de ani, ființa umană a contemplat Universul și a căutat să-și determine adevărata întindere. Până în secolul XX, oamenii de știință au început să înțeleagă cât de vast (și poate chiar neîntrerupt) este Universul cu adevărat.
Și pe parcursul căutării mai departe în spațiu și mai adânc înapoi în timp, cosmologii au descoperit câteva lucruri cu adevărat uimitoare. De exemplu, în anii '60, astronomii au luat cunoștință de radiațiile de fundal cu microunde care erau detectabile în toate direcțiile. Cunoscută sub denumirea de fundal cosmic cu microunde (CMB), existența acestei radiații a ajutat la informarea înțelegerii noastre despre cum a început Universul.
Descriere:
CMB este în esență radiația electromagnetică rămasă din cea mai timpurie epocă cosmologică care pătrunde în întregul Univers. Se crede că s-a format la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang și conține indicații subtile despre modul în care s-au format primele stele și galaxii. În timp ce această radiație este invizibilă folosind telescoape optice, radiotelescoape pot detecta semnalul slab (sau strălucirea) care este cel mai puternic în regiunea cu microunde a spectrului radio.
CMB este vizibil la o distanță de 13,8 miliarde de ani lumină în toate direcțiile de pe Pământ, determinând oamenii de știință să stabilească că aceasta este adevărata vârstă a Universului. Cu toate acestea, nu este o indicație a adevăratei întinderi a Universului. Având în vedere că spațiul se află într-o stare de expansiune încă de la Universul timpuriu (și se extinde mai repede decât viteza luminii), CMB este doar cel mai îndepărtat în timp în care suntem capabili să vedem.
Relația cu Big Bang:
CMB este central pentru teoria Big Bang și modele cosmologice moderne (cum ar fi modelul Lambda-CDM). După cum merge teoria, când Universul s-a născut acum 13,8 miliarde de ani, toată materia era condensată pe un singur punct de densitate infinită și căldură extremă. Datorită căldurii extreme și a densității materiei, starea Universului era extrem de instabilă. Deodată, acest punct a început să se extindă și Universul așa cum știm că a început.
În acest moment, spațiul era umplut cu o strălucire uniformă de particule de plasmă alb-fierbinte - care constau din protoni, neutroni, electroni și fotoni (lumină). Între 380.000 și 150 de milioane de ani după Big Bang, fotonii interacționau constant cu electronii liberi și nu puteau parcurge distanțe lungi. De aceea, această epocă este denumită „epoca întunecată”.
Pe măsură ce Universul a continuat să se extindă, acesta s-a răcit până la punctul în care electronii au fost capabili să se combine cu protoni pentru a forma atomi de hidrogen (de asemenea, perioada de recombinare). În absența electronilor liberi, fotonii au putut să se miște nestingheriți prin Univers și au început să apară așa cum se întâmplă astăzi (adică transparent și pătruns de lumină). De-a lungul a miliarde de ani intervenenți, Universul a continuat să se extindă și s-a răcit foarte mult.
Datorită extinderii spațiului, lungimile de undă ale fotonilor au crescut (au devenit „redshifted”) la aproximativ 1 milimetru, iar temperatura lor efectivă a scăzut până la zero absolut - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Acești fotoni umplu revista Space și apar ca o strălucire de fundal care poate fi detectată în lungimea de undă radio cu infraroșu îndepărtat.
Istoria studiului:
Existența CMB a fost teoretizată pentru prima dată de fizicianul ucrainean-american George Gamow, împreună cu studenții săi, Ralph Alpher și Robert Herman, în 1948. Această teorie s-a bazat pe studiile lor asupra consecințelor nucleosintezei elementelor ușoare (hidrogen, heliu și litiu) în timpul Universului foarte timpuriu. În esență, și-au dat seama că pentru a sintetiza nucleele acestor elemente, Universul timpuriu trebuia să fie extrem de fierbinte.
Aceștia au mai susținut că radiațiile rămase din această perioadă extrem de fierbinte vor pătrunde în Univers și vor fi detectabile. Datorită extinderii Universului, ei au estimat că această radiație de fundal ar avea o temperatură scăzută de 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - la doar cinci grade peste zero absolut - ceea ce corespunde lungimilor de undă cu microunde. Abia în 1964 s-au depistat primele dovezi pentru CMB.
Acesta a fost rezultatul astronomilor americani Arno Penzias și Robert Wilson, folosind radiometrul Dicke, pe care intenționau să-l folosească pentru experimente radio-astronomie și comunicare prin satelit. Cu toate acestea, atunci când au efectuat prima lor măsurare, au observat un exces de temperatură de antenă de 4,2 K pe care nu le-au putut ține cont și nu ar putea fi explicate decât prin prezența radiațiilor de fond. Pentru descoperirea lor, Penzias și Wilson au primit premiul Nobel pentru fizică în 1978.
Inițial, detectarea CMB a fost o sursă de contenție între susținătorii diferitelor teorii cosmologice. În timp ce susținătorii Teoriei Big Bang-ului au afirmat că aceasta este „radiația relicvă” rămasă din Big Bang, susținătorii Teoriei Steady State au susținut că aceasta este rezultatul luminii stelare împrăștiate din galaxiile îndepărtate. Cu toate acestea, până în anii 70, a apărut un consens științific care a favorizat interpretarea Big Bang.
În anii 1980, instrumentele bazate pe sol au depus limite din ce în ce mai stricte asupra diferențelor de temperatură ale CMB. Acestea includeau misiunea RELIKT-1 sovietică la bordul satelitului Prognoz 9 (care a fost lansat în iulie 1983) și misiunea NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (descoperirile care au fost publicate în 1992). Pentru munca lor, echipa COBE a primit premiul Nobel pentru fizică în 2006.
COBE a detectat, de asemenea, primul vârf acustic al CMB, oscilații acustice în plasmă care corespunde variațiilor de densitate la scară largă din universul timpuriu create de instabilitățile gravitaționale. Multe experimente au urmat în următorul deceniu, care au constat în experimente pe sol și balon al căror scop a fost să ofere măsurători mai precise ale primului vârf acustic.
Al doilea vârf acustic a fost detectat tentativ prin mai multe experimente, dar nu a fost detectat definitiv până când Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a fost dislocat în 2001. Între 2001 și 2010, când misiunea a fost încheiată, WMAP a detectat și un al treilea vârf. Din 2010, mai multe misiuni monitorizează CMB pentru a oferi măsurători îmbunătățite ale polarizării și variații la scară mică a densității.
Printre acestea se numără telescoape la sol, cum ar fi QUEST la DASI (QUaD) și Telescopul polului sud la stația Pol Sud, Amudsen-Scott și Telescopul Cosmologie Atacama și telescopul Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) din Chile. Între timp, Agenția Spațială Europeană Planck nava spațială continuă să măsoare CMB din spațiu.
Viitorul CMB:
Conform diferitelor teorii cosmologice, Universul poate înceta să se extindă și să înceapă inversarea, culminând cu un colaps urmat de un alt Big Bang - aka. teoria Big Crunch. Într-un alt scenariu, cunoscut sub numele de Big Rip, extinderea Universului va duce în cele din urmă la întreaga materie și spațiul propriu-zis va fi rupt.
Dacă niciunul dintre aceste scenarii nu este corect și Universul a continuat să se extindă într-un ritm accelerat, CMB va continua redshifting până la punctul în care acesta nu mai este detectabil. În acest moment, ea va fi depășită de prima lumină stelară creată în Univers, apoi de câmpurile de radiații de fundal produse de procese care se presupun că vor avea loc în viitorul Universului.
Am scris multe articole interesante despre Cosmic Microwave Background aici la Space Magazine. Iată ce este radiația de fundal a microundelor cosmice? Teoria Big Bang: Evoluția Universului nostru, Ce a fost inflația cosmică? Căutarea de a înțelege cel mai timpuriu univers, descoperirea reperului: noile rezultate oferă dovezi directe pentru inflația cosmică și cât de rapid se extinde universul? Hubble și Gaia echipează pentru a efectua cele mai precise măsurători până în prezent.
Pentru mai multe informații, consultați pagina misiunii WMAP a NASA și pagina misiunii Planck a ESA.
Astronomy Cast are și informații despre acest subiect. Ascultați aici: episodul 5 - The Big Bang and Cosmic Microwave Background
surse:
- ESA - Planck and the Cosmic Microwave Background
- Fizica Universului - Radiația de fundal cosmică
- Cosmos - fundal cosmic cu microunde
- Wikipedia - Cosmic Micround Background
