Зображення космічного мікрохвильового випромінювання, зроблене супутником Планка Європейського космічного агентства (ESA) у 2013 році, показує невеликі зміни в небі
(Зображення: © ESA / Planck Collaboration)
Космічний мікрохвильовий фон (CMB) вважається залишком випромінювання від Великого вибуху або часом, коли розпочався Всесвіт. Як ідеться в теорії, коли Всесвіт народився, він зазнав швидкої інфляції та розширення. (Всесвіт все ще розширюється сьогодні, і швидкість розширення виглядає різною залежно від того, де ви дивитесь). CMB являє собою тепло, що залишилося від Великого вибуху.
Ви не можете побачити СМВ неозброєним оком, але він є скрізь у Всесвіті. Він невидимий для людей, тому що він такий холодний, лише 2,725 градусів вище абсолютного нуля (мінус 459,67 градусів Фаренгейта, або мінус 273,15 градусів Цельсія.) Це означає, що його випромінювання найбільш видно в мікрохвильовій частині електромагнітного спектру.
Витоки та відкриття
Всесвіт почався 13,8 мільярда років тому, а СМВ сягає приблизно 400 000 років після Великого вибуху. Це тому, що на ранніх стадіях Всесвіту, коли він був на сто мільйонних розмірів сьогодні, його температура була надзвичайною: 273 мільйони градусів вище абсолютний нуль, за даними NASA.
Будь-які атоми, присутні в той час, були швидко розбиті на дрібні частинки (протони та електрони). Випромінювання від КМБ у фотонах (частинки, що представляють кванти світла, або інше випромінювання) було розсіяно від електронів. "Таким чином, фотони блукали по ранньому Всесвіту, так само, як оптичне світло блукає густим туманом", - написала НАСА.
Близько 380 000 років після Великого вибуху всесвіт була досить прохолодною, щоб утворився водень. Оскільки на фотони КМБ ледь не впливає потрапляння водню, фотони рухаються прямими. Космологи називають "поверхню останнього розсіювання", коли фотони КМБ востаннє потрапляють у матерію; після цього Всесвіт була надто великою. Тож, коли ми картаємо CMB, ми озираємося назад до 380 000 років після Великого вибуху, одразу після того, як Всесвіт був непрозорим для випромінювання.
Американський космолог Ральф Ефер вперше передбачив КМБ у 1948 році, коли він робив роботу з Робертом Германом та Джорджем Гамовим, повідомляє NASA. Команда проводила дослідження, пов'язані з нуклеосинтезом Великого Вибуху, або виробництвом елементів у Всесвіті, крім найлегшого ізотопу (типу) водню. Цей тип водню був створений дуже рано в історії Всесвіту.
Але CMB вперше було знайдено випадково. У 1965 році двоє дослідників з телефонних лабораторій Белла (Арно Пензіас і Роберт Вілсон) створювали радіоприймач і були спантеличені шумом, який він сприймав. Незабаром вони зрозуміли, що шум рівномірно прийшов з усього неба. У той же час команда Університету Прінстона (під керівництвом Роберта Діке) намагалася знайти CMB. Команда Дікке отримала вітер від експерименту Белла і зрозуміла, що CMB знайдено.
Обидві команди в 1965 році швидко опублікували документи в «Астрофізичному журналі», де Пензіас і Вілсон розповіли про побачене, а команда Дікке пояснила, що це означає в контексті Всесвіту. (Пізніше і Пензіас, і Вілсон отримали Нобелівську премію з фізики 1978 року).
Вивчення більш детально
CMB корисний вченим, оскільки допомагає нам дізнатися, як формувався ранній Всесвіт. Він знаходиться при рівномірній температурі з невеликими коливаннями, помітними точними телескопами. "Вивчаючи ці коливання, космологи можуть дізнатися про походження галактик та масштабних структур галактик, і вони можуть виміряти основні параметри теорії Великого вибуху", - написала НАСА.
У той час, як частини СМВ були складені на карті в наступні десятиліття після його відкриття, перша космічна карта з повним небом з'явилася від місії NASA Cosmic Background Explorer (COBE), яка була запущена в 1989 році і припинила наукові дії в 1993 році. Ця «малюнка малюка "Всесвіту, як називає НАСА, підтвердив прогнози теорії Великого вибуху, а також показав натяки на космічну будову, яких раніше не було. У 2006 році Нобелівську премію з фізики присудили вчені COBE Джон Матер в Центрі космічних польотів НАСА Годдард і Джордж Смот в Каліфорнійському університеті, Берклі.
Більш детальна карта була представлена в 2003 році люб'язним зондом анізотропії Уілкінсона (WMAP), який був запущений у червні 2001 року і припинив збір наукових даних у 2010 р. років), а також виявив сюрприз: найдавніші зірки почали світити приблизно через 200 мільйонів років після Великого вибуху, набагато раніше, ніж передбачалося.
Вчені слідкували за цими результатами, вивчаючи дуже ранні стадії інфляції у Всесвіті (на трильйону секунди після утворення) та даючи більш точні параметри щільності атома, грубість та інші властивості Всесвіту незабаром після його утворення. Вони також побачили дивну асиметрію середніх температур в обох півкулях неба та "холодну пляму", яка була більшою, ніж очікувалося. Команда WMAP отримала приз за прорив у 2018 році з фундаментальної фізики за свою роботу.
У 2013 році були оприлюднені дані космічного телескопа "Планк" Європейського космічного агентства, який показав найбільш високу точність картини КМВ досі. Вчені розкрили ще одну таємницю з цією інформацією: Коливання КМВ у великих кутових масштабах не відповідали прогнозам. Планк також підтвердив те, що бачив WMAP з точки зору асиметрії та холодної плями. Остаточні дані Планка у 2018 році (місія, що діяла між 2009 та 2013 роками) показали більше доказів того, що темна матерія та темна енергія - таємничі сили, які, ймовірно, прискорюють всесвіт, - здаються, існують.
Інші дослідницькі зусилля намагаються розглянути різні аспекти СМВ. Один з них - визначення типів поляризації під назвою E-режими (виявлені на ступінчастому кутовому масштабному інтерферометрі на базі Антарктиди у 2002 році) та B-режимах. B-режими можуть бути вироблені завдяки гравітаційному лінзуванню E-режимів (це лінзування вперше було помічено телескопом Південного полюсу в 2013 році) та гравітаційними хвилями (що вперше спостерігали у 2016 році за допомогою Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, або LIGO). У 2014 році в антарктичному інструменті BICEP2 було встановлено, що знайшли гравітаційні хвилі В-режими, але подальше спостереження (включаючи роботу Планка) показало, що ці результати були зумовлені космічним пилом.
Станом на середину 2018 року вчені все ще шукають сигнал, який показав короткий період швидкого розширення Всесвіту незабаром після Великого вибуху. У той час Всесвіт зростала швидкістю швидше, ніж швидкість світла. Якщо це сталося, дослідники підозрюють, що це повинно бути видно в КМБ через форму поляризації. Дослідження того року показало, що сяйво від нанодіаментів створює слабке, але помітне світло, що заважає космічним спостереженням. Тепер, коли це світіння враховується, майбутні дослідження можуть усунути його, щоб краще шукати слабку поляризацію в КМБ, заявили автори дослідження.
Додатковий ресурс
- NASA: Тести великого вибуху: CMB
