A kozmikus háttér felfedezése

1948-tól kezdődően George Gamow amerikai kozmológus és munkatársai, Ralph Alpher és Robert Herman kutatták az ötletet hogy a kémiai elemeket az ősi tűzgolyóban lezajló termonukleáris reakciók szintetizálhatták. Számításaik szerint a korai világegyetemhez társuló magas hőmérséklet olyan hősugárzási mezőt váltott volna ki, amelynek intenzitás-eloszlása egyedülálló a hullámhosszal (Planck sugárzási törvénye néven ismert), amely csak a hőmérséklet függvénye. Amint az univerzum tágult, a hőmérséklet csökkent volna, és az egyes fotonokat a kozmológiai expanzió hosszabb hullámhosszra tolta el, amint azt Richard C. Tolman amerikai fizikus 1934-ben már megmutatta. A mai korszakra a sugárzási hőmérséklet nagyon alacsonyra süllyedt. értékek, Alpher és Herman becslései szerint körülbelül 5 kelvin az abszolút nulla felett (0 kelvin, vagy −273 ° C).

A legtöbb csillagász körében lecsökkent az érdeklődés e számítások iránt, amikor nyilvánvalóvá vált, hogy az oroszlánrész a héliumnál nehezebb elemek szintézisének a csillagok belsejében kellett történnie, nem pedig forró nagy durranásban. Az 1960-as évek elején a New Jersey-i Princeton Egyetem, valamint a Szovjetunió fizikusai ismét felvették a problémát, és elkezdtek olyan mikrohullámú vevőt építeni, amely Georges Lemaître belga klerikus és kozmológus szavai szerint felismerheti a eltűnt a világok eredetének ragyogása. ”

Az ősi tűzgömb reliktikus sugárzásának tényleges felfedezése azonban véletlenül történt. Az első Telstar kommunikációs műhold kapcsán végzett kísérletek során két tudós, Arno Penzias és Robert Wilson, a Bell Telephone Laboratories (Holmdel, New Jersey) teljesen izotróp módon mérték az ég felől érkező felesleges rádiózajokat (vagyis a rádiózaj minden irányban azonos volt). konzultált Bernard Burke-rel, a cambridge-i Massachusetts Institute of Technology-tól, Burke rájött, hogy Penzias és Wilson valószínűleg megtalálta azt a kozmikus háttérsugárzást, amelyet Robert H. Dicke, PJE Pe ebles és princetoni kollégáik keresést terveztek. Kapcsolatba lépve, a két csoport 1965-ben egyidejűleg publikált cikkeket részletezett egy körülbelül 3 K hőmérsékletű univerzális hősugárzási mező előrejelzéséről és felfedezéséről.

Az 1989-ben elindított Kozmikus Háttérkutató (COBE) műhold pontos mérése alapján a spektrum pontosan jellemző volt egy fekete testre 2,735 K-nál. A műhold Föld körüli sebessége, A Föld a Napról, a Nap a Galaxisról, és a Galaxis az univerzumon keresztül valójában a hőmérsékletet kissé melegebbnek (kb. 1000-rel egy részével) tűnik a mozgás irányában, nem pedig attól távol. E hatás nagysága – az úgynevezett dipólus anizotropia – lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy megállapítsák, hogy a Helyi Csoport (a Tejút-galaxist tartalmazó galaxisok csoportja) körülbelül 600 km / s sebességgel mozog (km / s; 400 mérföld) másodpercenként) olyan irányban, amely 45 ° -ra esik a Szűz galaxishalmaz irányától. Az ilyen mozgást nem magukhoz a galaxisokhoz viszonyítva mérik (a Szűz galaxisok átlagos recessziós sebessége a Tejútrendszerhez viszonyítva körülbelül 1000 km / s), hanem egy olyan helyi referenciakerethez viszonyítva, amelyben a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás tökéletes Planck-spektrumként jelennek meg egyetlen sugárzási hőmérséklet mellett.

A COBE műhold műszereket vitt a fedélzetre, amelyek lehetővé tették számára, hogy mérje a háttérsugárzás intenzitásának kis ingadozásait, amelyek a szerkezet kezdetét jelentenék (pl. galaxisok és galaxishalmazok) az univerzumban. A műhold intenzitásmintát adott szögvetítésben 0,57 cm-es hullámhosszon, miután levonták az egységes hátteret 2,735 K hőmérsékleten. A jobb felső sarokban található világos területek és a bal alsó sarokban található dipóliaszimmetria mutatkozott. A középső részen egy világos csík jelentette a Tejútról származó hőfelesleget. A kisebb szögskálák ingadozásainak megszerzéséhez mind a dipólust, mind a galaktikus hozzájárulást le kellett vonni. A kivonás után képet kaptunk a végtermékről. A világos és sötét foltok olyan hőmérséklet-ingadozásokat jelentettek, amelyek körülbelül egy részét 100 000-nek teszik ki – nem sokkal magasabbak a mérések pontosságánál.Mindazonáltal a szögingadozások eloszlásának statisztikája eltér a véletlenszerű zajtól, és ezért a COBE vizsgálati csoportjának tagjai megtalálták az egzotikus izotropiától való eltérés első bizonyítékát, amely szerint az elméleti kozmológusoknak már régen megjósolták, hogy ott kell lenniük a galaxisok és a galaxisok sűrítésére egy egyébként strukturálatlan univerzumból. Ezek az ingadozások 109 fényév nagyságrendű távolsági skálának felelnek meg (még mindig nagyobbak, mint az univerzumban látható legnagyobb anyagi struktúrák, például a “Nagy Fal” névre keresztelt galaxisok óriási csoportosulása).

A Wilkinson mikrohullámú anizotropia szondát (WMAP) 2001-ben indították el, hogy részletesebben és nagyobb érzékenységgel megfigyeljék a COBE által észlelt ingadozásokat. az univerzum elején levő díciók rányomták a bélyegüket az ingadozások nagyságára. A WMAP pontos mérései azt mutatták, hogy a korai világegyetem 63 százaléka sötét anyag, 15 százaléka foton, 12 százaléka atom és 10 százaléka neutrínó volt. Ma az univerzum 72,6% sötét energiát, 22,8% sötét anyagot és 4,6% atomot tartalmaz. Bár a neutrínók ma már elhanyagolható alkotóelemek az univerzumban, saját kozmikus hátterüket alkotják, amelyet a WMAP fedezett fel. A WMAP azt is kimutatta, hogy az univerzum első csillagai félmilliárd évvel az ősrobbanás után keletkeztek.