Снимка на космическото микровълново фоново лъчение, направено от спътника Planck на Европейската космическа агенция през 2013 г., показва малките вариации в небето
(Изображение: © ESA / Planck Collaboration)
Космическият микровълнов фон (CMB) се смята за остатъчна радиация от Големия взрив или времето, когато Вселената е започнала. Както теорията продължава, когато Вселената се е родила, тя претърпя бърза инфлация и разрастване. (Вселената все още се разширява и днес скоростта на разширяване изглежда различна в зависимост от това къде търсите). CMB представлява топлината, останала от Големия взрив.
Не можете да видите CMB с просто око, но той е навсякъде във Вселената. То е невидимо за хората, защото е толкова студено, само 2,725 градуса над абсолютната нула (минус 459,67 градуса по Фаренхайт, или минус 273,15 градуса по Целзий.) Това означава, че излъчването му е най-видимо в микровълновата част на електромагнитния спектър.
Произход и откритие
Вселената започва преди 13,8 милиарда години, а CMB датира от около 400 000 години след Големия взрив. Това е така, защото в ранните етапи на Вселената, когато беше само на сто милионни размери, каквито са днес, температурата му беше екстремна: 273 милиона градуса по-горе абсолютна нула, според НАСА.
Всички присъстващи атоми по това време бързо се разделят на малки частици (протони и електрони). Излъчването от CMB във фотони (частици, представляващи квантове светлина или друга радиация) се разпръсна от електроните. "По този начин фотоните скитаха през ранната Вселена, точно както оптичната светлина се лута през гъста мъгла", пише НАСА.
Около 380 000 години след Големия взрив, Вселената е била достатъчно хладна, че водородът може да се образува. Тъй като фотоните CMB почти не се влияят от удрянето на водород, фотоните пътуват по прави линии. Космолозите се отнасят до "повърхност на последното разсейване", когато CMB фотоните за последен удар са от значение; след това Вселената беше твърде голяма. Така че, когато картографираме CMB, ние гледаме назад във времето към 380 000 години след Големия взрив, точно след като Вселената беше непрозрачна за радиация.
Американският космолог Ралф Афер за първи път предсказа CMB през 1948 г., когато той вършеше работа с Робърт Херман и Джордж Гамов, според НАСА. Екипът правеше изследвания, свързани с нуклеосинтезата на Големия взрив или с производството на елементи във Вселената, освен най-лекия изотоп (тип) водород. Този вид водород е създаден много рано в историята на Вселената.
Но CMB беше открит за първи път случайно. През 1965 г. двама изследователи от Bell Telephone Laboratories (Арно Пензиас и Робърт Уилсън) създават радиоприемник и се озадачават от шума, който вдига. Скоро разбраха, че шумът идва равномерно от цялото небе. В същото време екип от Принстънския университет (ръководен от Робърт Дике) се опитваше да намери CMB. Екипът на Дике се залови с експеримента с Bell и разбра, че CMB е намерен.
И двата екипа бързо публикуват документи в Astrophysical Journal през 1965 г., като Penzias и Wilson говорят за видяното, а екипът на Dicke обяснява какво означава това в контекста на Вселената. (По-късно Пензиас и Уилсън получиха Нобеловата награда по физика от 1978 г.).
Изучаване по-подробно
CMB е полезен за учените, защото ни помага да научим как се е формирала ранната Вселена. Той е с еднаква температура, само с малки колебания, видими с прецизни телескопи. "Изучавайки тези колебания, космолозите могат да научат за произхода на галактиките и мащабните структури на галактиките и те могат да измерват основните параметри на теорията за Големия взрив", пише НАСА.
Докато частите от CMB са картографирани през следващите десетилетия след откриването му, първата космическа карта с пълно небе е дошла от мисията на НАСА Cosmic Background Explorer (COBE), която стартира през 1989 г. и прекратява научните операции през 1993 г. Тази „бебешка снимка“ На Вселената, както я наричат НАСА, потвърди прогнозите на теорията за Големия взрив и също така показа намеци за космическа структура, които не бяха наблюдавани преди. През 2006 г. Нобеловата награда по физика бе присъдена на учените от COBE Джон Матер от Центъра за космически полети на НАСА Годдард и Джордж Смот от Калифорнийския университет в Бъркли.
По-подробна карта беше представена през 2003 г. с любезното съдействие на Уилкинсън Микровълнова анизотропия (WMAP), която стартира през юни 2001 г. и спря да събира данни от науката през 2010 г. години) и също разкри изненада: най-старите звезди започнаха да греят около 200 милиона години след Големия взрив, много по-рано от предвиденото.
Учените проследяват тези резултати, като изучават много ранните етапи на инфлация на Вселената (в трилионната секунда след образуването) и като дават по-прецизни параметри за плътността на атома, буцането и други свойства на Вселената, малко след като се е образувала. Те също видяха странна асиметрия на средните температури в двете полукълба на небето и „студено място“, което беше по-голямо от очакваното. Екипът на WMAP получи наградата за пробив през 2018 г. по фундаментална физика за своята работа.
През 2013 г. бяха публикувани данни от космическия телескоп Planck на Европейската космическа агенция, показващи най-високата точност на CMB досега. Учените разкриха още една загадка с тази информация: Колебанията в CMB при големи ъглови мащаби не съответстват на прогнозите. Планк също потвърди какво видя WMAP по отношение на асиметрията и студеното място. Окончателното публикуване на данни на Планк през 2018 г. (мисията, оперирана между 2009 г. и 2013 г.) показа още доказателство, че тъмната материя и тъмната енергия - мистериозни сили, които вероятно са зад ускорението на Вселената, изглежда съществуват.
Други изследователски усилия са се опитали да разгледат различни аспекти на СМВ. Единият е определянето на видове поляризация, наречени Е-режими (открити от базираната в Антарктида градусова ъглова скала за интерферометър през 2002 г.) и B-режими. B-режимите могат да бъдат произведени от гравитационното обективиране на E-режимите (това обективиране беше видяно за първи път от телескопа на Южния полюс през 2013 г.) и гравитационните вълни (които бяха наблюдавани за първи път през 2016 г. с помощта на Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory или LIGO). През 2014 г. за базирания на Антарктида инструмент BICEP2 е открит гравитационни вълни B-режими, но по-нататъшното наблюдение (включително работа от Планк) показва, че тези резултати се дължат на космическия прах.
Към средата на 2018 г. учените все още търсят сигнала, който показа кратък период на бързо разширяване на Вселената малко след Големия взрив. По това време Вселената ставаше по-голяма със скорост по-бърза от скоростта на светлината. Ако това се случи, изследователите подозират, че това трябва да е видимо в CMB чрез форма на поляризация. Проучване през същата година предполага, че сиянието от нанодиаманти създава слаба, но забележима светлина, която пречи на космическите наблюдения. Сега, когато това сияние е отчетено, бъдещите разследвания могат да го премахнат, за да се търси по-добре слабата поляризация в CMB, заявиха авторите на изследването по това време.
Допълнителен ресурс
- НАСА: Тестове на Големия взрив: CMB
