Opdagelse af den kosmiske baggrund

Begyndende i 1948 undersøgte den amerikanske kosmolog George Gamow og hans kolleger, Ralph Alpher og Robert Herman, ideen at de kemiske grundstoffer måske var blevet syntetiseret ved termonukleare reaktioner, der fandt sted i en ældste ildkugle. Ifølge deres beregninger ville den høje temperatur, der var forbundet med det tidlige univers, have givet anledning til et termisk strålingsfelt, der har en unik fordeling af intensitet med bølgelængde (kendt som Plancks strålingslov), der kun er en funktion af temperaturen. Efterhånden som universet ekspanderede, ville temperaturen være faldet, idet hver foton blev skiftet rødt af den kosmologiske ekspansion til længere bølgelængde, som den amerikanske fysiker Richard C. Tolman allerede havde vist i 1934. I den nuværende epoke ville strålingstemperaturen være faldet til meget lav. værdier, ca. 5 kelviner over absolut nul (0 kelvin eller −273 ° C) ifølge estimaterne fra Alpher og Herman.

Interessen for disse beregninger aftog blandt de fleste astronomer, da det blev klart, at løvens andel af syntesen af grundstoffer, der er tungere end helium, skal have fundet sted inde i stjerner snarere end i et hot big bang. I begyndelsen af 1960’erne tog fysikere ved Princeton University, New Jersey såvel som i Sovjetunionen op igen problemet og begyndte at bygge en mikrobølgemodtager, der med den belgiske gejstlige og kosmolog Georges Lemaître kunne opdage, “den forsvundet glans af verdens oprindelse. ”

Den egentlige opdagelse af relikstråling fra den ældste ildkugle opstod imidlertid ved et uheld. I eksperimenter udført i forbindelse med den første Telstar-kommunikationssatellit, to forskere, Arno Penzias og Robert Wilson fra Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, målte overskydende radiostøj, der syntes at komme fra himlen på en fuldstændig isotrop måde (dvs. radiostøj var den samme i alle retninger). konsulterede Bernard Burke fra Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, om problemet, Burke indså, at Penzias og Wilson sandsynligvis havde fundet den kosmiske baggrundsstråling, som Robert H. Dicke, PJE Pe ebles, og deres kolleger i Princeton planlagde at søge efter. Kom i kontakt med hinanden, de to grupper offentliggjorde samtidigt i 1965 papirer, der beskriver forudsigelse og opdagelse af et universelt termisk strålingsfelt med en temperatur på ca. 3 K.

Præcise målinger foretaget af Cosmic Background Explorer (COBE) -satellitten, der blev lanceret i 1989, bestemte, at spektret var nøjagtigt karakteristisk for en sortlegeme ved 2.735 K. Satellithastigheden omkring Jorden, Jorden om solen, solen om galaksen og galaksen gennem universet får faktisk temperaturen til at virke lidt varmere (ca. en del ud af 1.000) i bevægelsesretning snarere end væk fra den. Størrelsen af denne effekt – den såkaldte dipolanisotropi – gør det muligt for astronomer at bestemme, at den lokale gruppe (gruppen af galakser, der indeholder Mælkevejsgalaksen) bevæger sig med en hastighed på ca. 600 km i sekundet (km / s; 400 miles) pr. sekund) i en retning, der er 45 ° fra retningen af Jomfruen af galakser. En sådan bevægelse måles ikke i forhold til selve galakserne (Jomfru-galakserne har en gennemsnitlig recessionshastighed på ca. 1.000 km / s i forhold til Mælkevejesystemet), men i forhold til en lokal referenceramme, hvor den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling ville fremstå som et perfekt Planck-spektrum med en enkelt strålingstemperatur.

COBE-satellitten bar instrumenter ombord, der gjorde det muligt at måle små udsving i intensiteten af baggrundsstrålingen, der ville være begyndelsen på strukturen (dvs. galakser og klynger af galakser) i universet. Satellitten transmitterede et intensitetsmønster i vinkelprojektion ved en bølgelængde på 0,57 cm efter subtraktion af en ensartet baggrund ved en temperatur på 2,735 K. Lyse områder øverst til højre og mørke områder nederst til venstre viste dipolasymmetrien. En lys strimmel over midten repræsenterede overskydende termisk emission fra Mælkevejen. For at opnå udsvingene på mindre vinkelskalaer var det nødvendigt at trække både dipolen og de galaktiske bidrag. Der blev opnået et billede, der viser det endelige produkt efter subtraktionen. Plaster af lys og mørke repræsenterede temperatursvingninger, der udgør ca. en del i 100.000 – ikke meget højere end målingernes nøjagtighed.Ikke desto mindre syntes statistikken over fordelingen af vinkelfluktuationer at være forskellig fra tilfældig støj, og derfor fandt medlemmerne af COBE-undersøgelsesteamet de første beviser for afvigelse fra den nøjagtige isotropi, som teoretiske kosmologer længe forudsagde skal være der for at galakser og klynger af galakser for at kondensere fra et ellers strukturløst univers. Disse udsving svarer til afstandsskalaer i størrelsesordenen 109 lysår på tværs (stadig større end de største materielle strukturer set i universet, såsom den enorme gruppering af galakser kaldet “Den Kinesiske Mur”).

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) blev lanceret i 2001 for at observere udsvingene set af COBE mere detaljeret og med mere følsomhed. ditioner i begyndelsen af universet efterlod deres aftryk på størrelsen af udsvingene. WMAPs nøjagtige målinger viste, at det tidlige univers var 63 procent mørkt stof, 15 procent fotoner, 12 procent atomer og 10 procent neutrinoer. I dag er universet 72,6 procent mørk energi, 22,8 procent mørkt stof og 4,6 procent atomer. Selvom neutrinoer nu er en ubetydelig komponent i universet, danner de deres egen kosmiske baggrund, som blev opdaget af WMAP. WMAP viste også, at de første stjerner i universet dannedes en halv milliard år efter big bang.