В продължение на хиляди години човешкото същество обмисля Вселената и се стреми да определи истинската му степен. До 20-ти век учените започват да разбират колко обширна (а може би дори и безкрайна) Вселената всъщност е.
И в хода на поглед по-далеч в космоса и по-дълбоко назад във времето, космолозите са открили някои наистина невероятни неща. Например, през 60-те години на миналия век астрономите станаха наясно с микровълновото фоново лъчение, което се открива във всички посоки. Известен като космически микровълнов фон (CMB), съществуването на това излъчване е помогнало да се информира разбирането ни за това как е започнала Вселената.
Описание:
CMB е по същество електромагнитно излъчване, останало от най-ранната космологична епоха, което прониква в цялата Вселена. Смята се, че се е образувал около 380 000 години след Големия взрив и съдържа фини указания за това как са се образували първите звезди и галактики. Докато това излъчване е невидимо с помощта на оптични телескопи, радиотелескопите са в състояние да открият слаб сигнал (или сияние), който е най-силен в микровълновата област на радиочестотния спектър.
CMB е видим на разстояние 13,8 милиарда светлинни години във всички посоки от Земята, което кара учените да определят, че това е истинската епоха на Вселената. Това обаче не е индикация за истинската степен на Вселената. Като се има предвид, че пространството е в състояние на разширение още от ранната Вселена (и се разширява по-бързо от скоростта на светлината), CMB е просто най-далечното назад във времето, което сме способни да видим.
Връзка с Големия взрив:
CMB е централно място за теорията на Големия взрив и съвременните космологични модели (като модела Lambda-CDM). Тъй като теорията гласи, когато Вселената се е родила преди 13,8 милиарда години, цялата материя е кондензирана в една точка с безкрайна плътност и екстремна топлина. Поради изключителната топлина и плътност на материята, състоянието на Вселената беше силно нестабилно. Изведнъж тази точка започна да се разширява и Вселената, както знаем, започна.
По това време пространството се изпълни с равномерно сияние от бели горещи плазмени частици - които се състоят от протони, неутрони, електрони и фотони (светлина). Между 380 000 и 150 милиона години след Големия взрив, фотоните непрекъснато взаимодействат със свободни електрони и не могат да изминават големи разстояния. Следователно защо тази епоха разговорно се нарича „тъмните векове“.
Докато Вселената продължава да се разширява, тя се охлажда до точката, в която електроните са в състояние да се комбинират с протони, за да образуват водородни атоми (известен още като Период на рекомбинация). При липса на свободни електрони, фотоните бяха в състояние да се движат безпрепятствено през Вселената и тя започна да се появява както днес (т.е. прозрачна и просветена от светлина). През междинните милиарди години Вселената продължи да се разширява и охлажда значително.
Поради разширяването на пространството, дължините на вълните на фотоните нараснаха (станаха „изместени“) до приблизително 1 милиметър и тяхната ефективна температура се понижи до малко над абсолютната нула - 2,7 Келвин (-270 ° C; -454 ° F). Тези фотони изпълват Space Magazine и се появяват като фоново сияние, което може да бъде открито в далечната инфрачервена и радиовълнова дължина.
История на обучението:
Съществуването на CMB е теоретизирано за първи път от украино-американския физик Джордж Гамов, заедно с неговите студенти, Ралф Алфер и Робърт Херман, през 1948 г. Тази теория се основава на техните проучвания за последиците от нуклеосинтезата на леки елементи (водород, хелий и литий) през много ранната Вселена. По същество те осъзнаха, че за да синтезират ядрата на тези елементи, ранната Вселена трябва да бъде изключително гореща.
Освен това те теоретизират, че остатъчната радиация от този изключително горещ период ще проникне във Вселената и ще бъде откриваема. Поради разширяването на Вселената, те прецениха, че това фоново излъчване ще има ниска температура от 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - само пет градуса над абсолютната нула - което съответства на дължините на вълните на микровълните. Едва през 1964 г. са открити първите доказателства за СМВ.
Това е резултат от американските астрономи Арно Пензиас и Робърт Уилсън, използващи радиометъра Dicke, който те са имали намерение да използват за експерименти по радиоастрономия и сателитна комуникация. Въпреки това, когато извършват първото си измерване, те забелязват излишък от 4,2К температура на антената, която не могат да отчетат и могат да се обяснят само с наличието на фоново лъчение. За своето откритие Пензиас и Уилсън са носители на Нобеловата награда по физика през 1978 г.
Първоначално откриването на CMB беше източник на спорове между привърженици на различни космологични теории. Докато привържениците на теорията за Големия взрив твърдяха, че това е „реликтовата радиация“, останала от Големия взрив, привържениците на теорията на стабилната държава твърдяха, че тя е резултат от разпръсната звездна светлина от далечни галактики. Към 70-те години обаче се е появил научен консенсус, който благоприятства интерпретацията на Големия взрив.
През 80-те години наземните инструменти поставят все по-строги граници на температурните разлики на CMB. Те включват съветската мисия RELIKT-1 на борда на спътника Prognoz 9 (която беше пусната през юли 1983 г.) и мисията NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (резултатите от които бяха публикувани през 1992 г.). За своята работа екипът на COBE получи Нобелова награда по физика през 2006 г.
COBE също откри първия акустичен пик на CMB, акустични трептения в плазмата, което съответства на големи колебания на плътността в ранната Вселена, създадени от гравитационните нестабилности. През следващото десетилетие последваха много експерименти, които се състоеха от експерименти на базата на земя и балон, чиято цел беше да предоставят по-точни измервания на първия акустичен пик.
Вторият акустичен пик беше открит ориентировъчно чрез няколко експеримента, но не беше окончателно открит до момента, когато Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) беше внедрен през 2001 г. Между 2001 г. и 2010 г., когато мисията бе сключена, WMAP също откри третия пик. От 2010 г. множество мисии наблюдават CMB, за да осигурят подобрени измервания на поляризацията и малките изменения в мащаба.
Те включват наземни телескопи като QUEST в DASI (QUaD) и телескоп на Южния полюс на станцията на южния полюс Амудсен-Скот и телескоп Atacama Cosmology и телескоп Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) в Чили. Междувременно Европейската космическа агенция Планк космическият кораб продължава да измерва CMB от космоса.
Бъдещето на CMB:
Според различни космологични теории Вселената в един момент може да престане да се разширява и да започне да се обръща назад, като кулминацията му ще бъде последвана от друг Голям взрив - ака. теорията за големия кризис В друг сценарий, известен като Големия разрив, разширяването на Вселената в крайна сметка ще доведе до разкъсване на цялата материя и пространство.
Ако нито един от тези сценарии не е правилен и Вселената продължи да се разраства с ускоряваща се скорост, CMB ще продължи да превключва червено до точката, в която вече не може да се открие. В този момент тя ще бъде застигната от първата звездна светлина, създадена във Вселената, а след това от фоновите радиационни полета, произведени от процеси, за които се предполага, че ще се осъществят в бъдещето на Вселената.
Написахме много интересни статии за космическия микровълнов фон тук в Space Magazine. Ето какво е космическото микровълново фоново излъчване ?, теория за големия взрив: еволюция на нашата Вселена, какво беше космическата инфлация? Търсенето за разбиране на най-ранната Вселена, забележително откритие: новите резултати предоставят директни доказателства за космическа инфлация и колко бързо се разширява Вселената? Хъбъл и Гея се екипират за извършване на най-точните измервания до момента.
За повече информация вижте страницата на мисията на НАСА на НАСА и страницата на мисията на Planck на ESA.
Astronomy Cast също има информация по темата. Чуйте тук: Епизод 5 - Големият взрив и космическият микровълнов фон
Източници:
- ESA - Планк и космическият микровълнов фон
- Физиката на Вселената - космическо фоново излъчване
- Космос - космически микровълнов фон
- Уикипедия - космически микровълнов фон
