Oppdagelse av den kosmiske bakgrunnen

Fra og med 1948 undersøkte den amerikanske kosmologen George Gamow og hans kolleger, Ralph Alpher og Robert Herman, ideen at de kjemiske elementene kan ha blitt syntetisert av termonukleære reaksjoner som fant sted i en eldgamle ildkule. I følge deres beregninger ville den høye temperaturen assosiert med det tidlige universet ha gitt opphav til et termisk strålingsfelt, som har en unik fordeling av intensitet med bølgelengde (kjent som Plancks strålingslov), som bare er en funksjon av temperaturen. Etter hvert som universet utvidet seg, ville temperaturen ha sunket, og hvert foton ble redskiftet av den kosmologiske utvidelsen til lengre bølgelengde, slik den amerikanske fysikeren Richard C. Tolman allerede hadde vist i 1934. I den nåværende epoken ville strålingstemperaturen ha falt til veldig lav. verdier, omtrent 5 kelviner over absolutt null (0 kelvin eller −273 ° C) i henhold til estimatene til Alpher og Herman.

Interessen for disse beregningene avtok blant de fleste astronomer da det ble tydelig at løvenes andel av syntesen av grunner som er tyngre enn helium, må ha skjedd inne i stjerner i stedet for i et hot big bang. På begynnelsen av 1960-tallet tok fysikere ved Princeton University, New Jersey, så vel som i Sovjetunionen opp problemet igjen og begynte å bygge en mikrobølgemottaker som kunne oppdage, med ordene fra den belgiske geistlige og kosmologen Georges Lemaître, » forsvunnet glans fra verdens opprinnelse. «

Den faktiske oppdagelsen av relikstrålingen fra den eldste ildkulen skjedde imidlertid ved et uhell. I eksperimenter utført i forbindelse med den første Telstar-kommunikasjonssatellitten, to forskere, Arno Penzias og Robert Wilson, fra Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, målte overflødig radiostøy som så ut til å komme fra himmelen på en helt isotrop måte (det vil si at radiostøyen var den samme i alle retninger). konsultert Bernard Burke fra Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, om problemet, skjønte Burke at Penzias og Wilson mest sannsynlig hadde funnet den kosmiske bakgrunnsstrålingen som Robert H. Dicke, PJE Pe ebles, og deres kolleger på Princeton planla å søke etter. Ta kontakt med hverandre, de to gruppene publiserte samtidig i 1965 papirer som beskriver prediksjon og oppdagelse av et universelt termisk strålingsfelt med en temperatur på rundt 3 K.

Nøyaktige målinger gjort av Cosmic Background Explorer (COBE) -satellitten som ble lansert i 1989, bestemte at spektret var nøyaktig karakteristisk for et svart legeme ved 2.735 K. Satellittens hastighet rundt Jorden, Jorden om solen, solen om galaksen og galaksen gjennom universet får faktisk temperaturen til å virke litt varmere (med omtrent en del av 1000) i retning av bevegelse i stedet for bort fra den. Omfanget av denne effekten – den såkalte dipolanisotropien – lar astronomer bestemme at den lokale gruppen (gruppen galakser som inneholder Melkeveigalaksen) beveger seg med en hastighet på omtrent 600 km per sekund (km / s; 400 miles) per sekund) i en retning som er 45 ° fra retningen til Jomfruen av galakser. Slik bevegelse måles ikke i forhold til selve galaksene (Jomfru-galaksene har en gjennomsnittlig nedgangshastighet på ca. 1000 km / s i forhold til Melkeveisystemet), men i forhold til en lokal referanseramme der den kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunnsstråling ville fremstå som et perfekt Planck-spektrum med en enkelt strålingstemperatur.

COBE-satellitten hadde instrumentering ombord som tillot den å måle små svingninger i intensiteten til bakgrunnsstrålingen som ville være begynnelsen på strukturen (dvs. galakser og klynger av galakser) i universet. Satellitten overførte et intensitetsmønster i vinkelprojeksjon med en bølgelengde på 0,57 cm etter subtraksjon av en jevn bakgrunn ved en temperatur på 2,735 K. Lyse områder øverst til høyre og mørke områder nederst til venstre viste dipolasymmetrien. En lys stripe over midten representerte overflødig termisk utslipp fra Melkeveien. For å oppnå svingningene på mindre vinkelskalaer, var det nødvendig å trekke fra både dipolen og de galaktiske bidragene. Et bilde ble oppnådd som viser det endelige produktet etter subtraksjonen. Plaster av lys og mørkt representerte temperatursvingninger som utgjør omtrent en del i 100.000 – ikke mye høyere enn målingene.Likevel så statistikken over fordelingen av vinkelsvingninger seg annerledes enn tilfeldig støy, og derfor fant medlemmene av COBEs undersøkelsesteam det første beviset for avvik fra nøyaktig isotropi som teoretiske kosmologer lenge forutsa må være der for at galakser og klynger av galakser for å kondensere fra et ellers strukturløst univers. Disse svingningene tilsvarer avstandsskalaer i størrelsesorden 109 lysår på tvers (fremdeles større enn de største materialstrukturene som er sett i universet, for eksempel den enorme grupperingen av galakser som kalles «Den kinesiske mur»).

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ble lansert i 2001 for å observere svingningene COBE har sett mer detaljert og med mer følsomhet. disjoner i begynnelsen av universet satte sitt preg på størrelsen på svingningene. WMAPs nøyaktige målinger viste at det tidlige universet var 63 prosent mørk materie, 15 prosent fotoner, 12 prosent atomer og 10 prosent nøytrinoer. I dag er universet 72,6 prosent mørk energi, 22,8 prosent mørk materie og 4,6 prosent atomer. Selv om nøytrinoer nå er en ubetydelig komponent i universet, danner de sin egen kosmiske bakgrunn, som ble oppdaget av WMAP. WMAP viste også at de første stjernene i universet dannet en halv milliard år etter big bang.