Ontdekking van de kosmische achtergrond

Begin 1948 onderzochten de Amerikaanse kosmoloog George Gamow en zijn collega’s, Ralph Alpher en Robert Herman, het idee dat de chemische elementen mogelijk zijn gesynthetiseerd door thermonucleaire reacties die plaatsvonden in een oer vuurbal. Volgens hun berekeningen zou de hoge temperatuur in verband met het vroege heelal aanleiding hebben gegeven tot een warmtestralingsveld, dat een unieke verdeling van intensiteit met golflengte heeft (bekend als de stralingswet van Planck), dat is alleen een functie van de temperatuur. Naarmate het universum zich uitbreidde, zou de temperatuur zijn gedaald, waarbij elk foton door de kosmologische expansie roodverschoven naar een langere golflengte, zoals de Amerikaanse natuurkundige Richard C. Tolman al in 1934 had aangetoond. Tegen het huidige tijdvak zou de stralingstemperatuur tot zeer laag zijn gedaald. waarden, ongeveer 5 Kelvin boven het absolute nulpunt (0 Kelvin, of −273 ° C) volgens de schattingen van Alpher en Herman.

De belangstelling voor deze berekeningen nam onder de meeste astronomen af toen bleek dat het leeuwendeel van de synthese van elementen zwaarder dan helium moet eerder in sterren hebben plaatsgevonden dan in een hete oerknal. In het begin van de jaren zestig pakten natuurkundigen aan de Princeton University, New Jersey en in de Sovjet-Unie het probleem opnieuw aan en begonnen ze een microgolfontvanger te bouwen die, in de woorden van de Belgische geestelijke en kosmoloog Georges Lemaître, ‘de verdwenen schittering van de oorsprong van de werelden. ”

De daadwerkelijke ontdekking van de relictstraling van de oervuurbal gebeurde echter per ongeluk. In experimenten die werden uitgevoerd in verband met de eerste Telstar-communicatiesatelliet, hebben twee wetenschappers, Arno Penzias en Robert Wilson, van de Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, maten overtollig radiogeluid dat op een volledig isotrope manier uit de lucht leek te komen (dat wil zeggen, het radiogeluid was in alle richtingen hetzelfde). raadpleegde Bernard Burke van het Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, over het probleem, en Burke realiseerde zich dat Penzias en Wilson hoogstwaarschijnlijk de kosmische achtergrondstraling hadden gevonden die Robert H. Dicke, PJE Pe ebles, en hun collega’s op Princeton waren van plan om naar te zoeken. Met elkaar in contact, de twee groepen publiceerden gelijktijdig in 1965 papers waarin de voorspelling en ontdekking van een universeel warmtestralingsveld met een temperatuur van ongeveer 3 K werd beschreven.

Nauwkeurige metingen uitgevoerd door de Cosmic Background Explorer (COBE) -satelliet die in 1989 werd gelanceerd, bepaalden dat het spectrum precies kenmerkend is voor een zwart lichaam op 2735 K. De snelheid van de satelliet rond de aarde, De aarde om de zon, de zon om de melkweg en de melkweg door het heelal laten de temperatuur in feite iets warmer lijken (ongeveer een deel op de 1.000) in de bewegingsrichting in plaats van er vanaf. De omvang van dit effect – de zogenaamde dipoolanisotropie – stelt astronomen in staat vast te stellen dat de lokale groep (de groep melkwegstelsels die het Melkwegstelsel bevat) beweegt met een snelheid van ongeveer 600 km per seconde (km / s; 400 mijl) per seconde) in een richting die 45 ° is ten opzichte van de richting van de Virgo-cluster van sterrenstelsels. Een dergelijke beweging wordt niet gemeten ten opzichte van de sterrenstelsels zelf (de Maagdstelsels hebben een gemiddelde recessiesnelheid van ongeveer 1.000 km / s ten opzichte van het Melkwegstelsel), maar ten opzichte van een lokaal referentiekader waarin de kosmische microgolfachtergrondstraling zou verschijnen als een perfect Planck-spectrum met een enkele stralingstemperatuur.

De COBE-satelliet droeg instrumenten aan boord waarmee het kleine fluctuaties in intensiteit van de achtergrondstraling kon meten die het begin van de structuur zouden zijn (dwz sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels) in het universum. De satelliet zond een intensiteitspatroon uit in hoekprojectie bij een golflengte van 0,57 cm na aftrekking van een uniforme achtergrond bij een temperatuur van 2,735 K. Heldere gebieden rechtsboven en donkere gebieden linksonder vertoonden de dipool-asymmetrie. Een heldere strook in het midden vertegenwoordigde overmatige thermische emissie van de Melkweg. Om de fluctuaties op kleinere hoekschalen te verkrijgen, was het nodig om zowel de dipool- als de galactische bijdragen af te trekken. Er werd een afbeelding verkregen van het eindproduct na aftrekken. Flarden van licht en donker vertegenwoordigden temperatuurschommelingen die ongeveer één deel op 100.000 bedragen – niet veel hoger dan de nauwkeurigheid van de metingen.Desalniettemin leken de statistieken van de verdeling van hoekfluctuaties anders dan willekeurige ruis, en dus vonden de leden van het COBE-onderzoeksteam het eerste bewijs voor het afwijken van exacte isotropie waarvan theoretische kosmologen lang hadden voorspeld dat ze er zouden moeten zijn om sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels om te condenseren vanuit een anders structuurloos universum. Deze fluctuaties komen overeen met afstandsschalen in de orde van 109 lichtjaar in doorsnede (nog steeds groter dan de grootste materiële structuren die in het universum te zien zijn, zoals de enorme groep melkwegstelsels die de “Grote Muur” wordt genoemd).

De Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) werd in 2001 gelanceerd om de fluctuaties die door COBE worden waargenomen gedetailleerder en met meer gevoeligheid te observeren. Dities aan het begin van het universum hebben hun stempel gedrukt op de omvang van de fluctuaties. De nauwkeurige metingen van WMAP toonden aan dat het vroege universum 63 procent uit donkere materie, 15 procent fotonen, 12 procent atomen en 10 procent neutrino’s bestond. Tegenwoordig bestaat het universum voor 72,6 procent uit donkere energie, 22,8 procent uit donkere materie en 4,6 procent uit atomen. Hoewel neutrino’s nu een verwaarloosbaar onderdeel van het universum zijn, vormen ze hun eigen kosmische achtergrond, die werd ontdekt door WMAP. WMAP toonde ook aan dat de eerste sterren in het heelal een half miljard jaar na de oerknal werden gevormd.