Odkrycie kosmicznego tła

Na początku 1948 roku amerykański kosmolog George Gamow i jego współpracownicy, Ralph Alpher i Robert Herman, badali ten pomysł że pierwiastki chemiczne mogły zostać zsyntetyzowane w wyniku reakcji termojądrowych, które miały miejsce w pierwotnej kuli ognia. Zgodnie z ich obliczeniami wysoka temperatura związana z wczesnym Wszechświatem spowodowałaby powstanie pola promieniowania cieplnego, które ma unikalny rozkład natężenia wraz z długością fali (znane jako prawo promieniowania Plancka), które jest funkcją jedynie temperatury. W miarę rozszerzania się wszechświata temperatura spadałaby, a każdy foton byłby przesunięty ku czerwieni w wyniku kosmologicznej ekspansji do dłuższej fali, jak wykazał już w 1934 roku amerykański fizyk Richard C. Tolman. W obecnej epoce temperatura promieniowania spadłaby do bardzo niskiego poziomu wartości, około 5 kelwinów powyżej zera absolutnego (0 kelwinów lub −273 ° C) według szacunków Alphera i Hermana.

Zainteresowanie tymi obliczeniami zmniejszyło się wśród większości astronomów, gdy stało się jasne, że lwia część syntezy pierwiastków cięższych od helu musiała mieć miejsce wewnątrz gwiazd, a nie podczas wielkiego wybuchu. Na początku lat 60. fizycy z Uniwersytetu Princeton w New Jersey, a także w Związku Radzieckim, ponownie podjęli ten problem i zaczęli budować odbiornik mikrofalowy, który mógłby wykryć, jak powiedział belgijski duchowny i kosmolog Georges Lemaître, „ zniknął blask pochodzenia światów. ”

Jednak faktyczne odkrycie reliktowego promieniowania pierwotnej kuli ognistej nastąpiło przypadkowo. W eksperymentach przeprowadzonych w związku z pierwszym satelitą komunikacyjnym Telstar, dwóch naukowców, Arno Penzias i Robert Wilson z Bell Telephone Laboratories w Holmdel w stanie New Jersey zmierzyli nadmierny szum radiowy, który wydawał się pochodzić z nieba w sposób całkowicie izotropowy (to znaczy szum radiowy był taki sam we wszystkich kierunkach). skonsultował się z Bernardem Burke z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge w sprawie problemu, Burke zdał sobie sprawę, że Penzias i Wilson najprawdopodobniej odkryli kosmiczne promieniowanie tła, które Robert H. Dicke, PJE Pe ebles i ich koledzy z Princeton planowali szukać. Skontaktujcie się ze sobą, dwie grupy opublikowane jednocześnie w 1965 roku w artykułach szczegółowo opisujących przewidywanie i odkrycie uniwersalnego pola promieniowania cieplnego o temperaturze około 3 K.

Precyzyjne pomiary wykonane przez satelitę Cosmic Background Explorer (COBE) wystrzelony w 1989 roku określiły widmo jako dokładnie charakterystyczne dla ciała czarnego przy 2,735 K. Prędkość satelity wokół Ziemi, Ziemia wokół Słońca, Słońce wokół Galaktyki, a Galaktyka przez wszechświat sprawia, że temperatura wydaje się nieco wyższa (o około jedną część na 1000) w kierunku ruchu, a nie w kierunku od niego. Wielkość tego efektu – tak zwana anizotropia dipolowa – pozwala astronomom określić, że Grupa Lokalna (grupa galaktyk zawierających Drogę Mleczną) porusza się z prędkością około 600 km na sekundę (km / s; 400 mil na sekundę) w kierunku 45 ° od kierunku gromady galaktyk w Pannie. Taki ruch nie jest mierzony w odniesieniu do samych galaktyk (galaktyki w Pannie mają średnią prędkość recesji około 1000 km / s w odniesieniu do układu Drogi Mlecznej), ale w odniesieniu do lokalnego układu odniesienia, w którym kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła wyglądają jak idealne widmo Plancka z pojedynczą temperaturą promieniowania.

Satelita COBE przewoził na pokładzie oprzyrządowanie, które pozwoliło mu zmierzyć niewielkie fluktuacje intensywności promieniowania tła, które byłyby początkiem struktury (tj. galaktyk i gromady galaktyk) we wszechświecie. Satelita transmitował wzór intensywności w projekcji kątowej przy długości fali 0,57 cm po odjęciu jednolitego tła w temperaturze 2,735 K. Jasne obszary w prawym górnym rogu i ciemne obszary w lewym dolnym rogu wykazywały asymetrię dipolową. Jasny pasek na środku oznaczał nadmierną emisję ciepła z Drogi Mlecznej. Aby uzyskać fluktuacje w mniejszych skalach kątowych, konieczne było odjęcie zarówno udziału dipola, jak i galaktyki. Uzyskano obraz przedstawiający produkt końcowy po odjęciu. Plamy światła i ciemności reprezentowały wahania temperatury, które wynoszą mniej więcej jedną część na 100 000 – niewiele więcej niż dokładność pomiarów.Niemniej jednak statystyki rozkładu fluktuacji kątowych wydawały się inne niż szumy losowe, więc członkowie zespołu badawczego COBE znaleźli pierwszy dowód na odejście od dokładnej izotropii, które kosmolodzy teoretyczni od dawna przewidzieli, muszą istnieć, aby galaktyki i gromady galaktyki kondensować z pozbawionego struktury wszechświata. Fluktuacje te odpowiadają skalom odległości rzędu 109 lat świetlnych średnicy (wciąż większych niż największe struktury materialne widziane we Wszechświecie, takie jak ogromna grupa galaktyk zwana „Wielkim Murem”).

Mikrofalowa sonda anizotropowa Wilkinsona (WMAP) została wprowadzona na rynek w 2001 r. w celu dokładniejszego i dokładniejszego obserwowania fluktuacji obserwowanych przez COBE. Warunki na początku wszechświata odcisnęły swoje piętno na wielkości fluktuacji. Dokładne pomiary WMAP wykazały, że wczesny Wszechświat składał się w 63% z ciemnej materii, w 15% z fotonów, w 12% z atomów i w 10% z neutrin. Obecnie Wszechświat składa się w 72,6% z ciemnej energii, w 22,8% z ciemnej materii i 4,6% z atomów. Chociaż neutrina są obecnie pomijalnym składnikiem wszechświata, tworzą własne kosmiczne tło, które zostało odkryte przez WMAP. WMAP wykazał również, że pierwsze gwiazdy we Wszechświecie powstały pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu.