Descoperirea fundalului cosmic

Începând din 1948, cosmologul american George Gamow și colegii săi, Ralph Alpher și Robert Herman, au investigat ideea că elementele chimice ar fi putut fi sintetizate prin reacții termonucleare care au avut loc într-un glob primar de foc. Conform calculelor lor, temperatura ridicată asociată universului timpuriu ar fi dat naștere unui câmp de radiații termice, care are o distribuție unică a intensității cu lungimea de undă (cunoscută sub numele de legea radiației lui Planck), care este o funcție doar a temperaturii. Pe măsură ce universul s-a extins, temperatura ar fi scăzut, fiecare foton fiind deplasat spre roșu de expansiunea cosmologică la o lungime de undă mai mare, așa cum arătase deja fizicianul american Richard C. Tolman în 1934. În epoca actuală, temperatura radiației ar fi scăzut la foarte scăzută valori, aproximativ 5 kelvini peste zero absolut (0 kelvin sau −273 ° C) conform estimărilor Alpher și Herman.

Interesul pentru aceste calcule a scăzut printre majoritatea astronomilor când a devenit evident că partea leului a sintezei elementelor mai grele decât heliul trebuie să fi avut loc în interiorul stelelor, mai degrabă decât într-un big bang fierbinte. La începutul anilor 1960, fizicienii de la Universitatea Princeton, New Jersey, precum și din Uniunea Sovietică, au preluat din nou problema și au început să construiască un receptor cu microunde care ar putea detecta, în cuvintele clericului și cosmologului belgian Georges Lemaître, „ a dispărut strălucirea originii lumilor. ”

Descoperirea efectivă a radiației relicte din mingea de foc primitivă a avut loc totuși accidental. În experimentele efectuate în legătură cu primul satelit de comunicație Telstar, doi oameni de știință, Arno Penzias și Robert Wilson, de la Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, au măsurat excesul de zgomot radio care părea să vină din cer într-un mod complet izotrop (adică, zgomotul radio era același în toate direcțiile). consultat de Bernard Burke de la Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, despre problemă, Burke și-a dat seama că Penzias și Wilson au găsit cel mai probabil radiația de fond cosmică pe care Robert H. Dicke, PJE Pe colegii lor de la Princeton plănuiau să caute. Puseți în legătură unul cu celălalt, cele două grupuri au publicat simultan în ziarele din 1965 care detaliază predicția și descoperirea unui câmp universal de radiații termice cu o temperatură de aproximativ 3 K.

Măsurătorile precise efectuate de satelitul Cosmic Background Explorer (COBE) lansat în 1989 au determinat spectrul să fie exact caracteristic unui corp negru la 2.735 K. Viteza satelitului pe Pământ, Pământul despre Soare, Soarele despre Galaxie și Galaxia prin univers fac de fapt temperatura să pară puțin mai fierbinte (cu aproximativ o parte din 1.000) în direcția mișcării, mai degrabă decât departe de ea. Magnitudinea acestui efect – așa-numita anizotropie dipolică – permite astronomilor să determine că Grupul Local (grupul de galaxii care conține Galaxia Calea Lactee) se mișcă cu o viteză de aproximativ 600 km pe secundă (km / s; 400 mile pe secundă) într-o direcție care este la 45 ° față de direcția grupului de galaxii Fecioară. O astfel de mișcare nu este măsurată în raport cu galaxiile în sine (galaxiile Fecioara au o viteză medie de recesiune de aproximativ 1.000 km / s față de sistemul Calea Lactee), ci relativ la un cadru de referință local în care radiația cosmică de fond a microundelor apar ca un spectru Planck perfect cu o singură temperatură de radiație.

Satelitul COBE a transportat la bord instrumente care i-au permis să măsoare mici fluctuații ale intensității radiației de fond care ar fi începutul structurii (adică galaxii și grupuri de galaxii) în univers. Satelitul a transmis un model de intensitate în proiecție unghiulară la o lungime de undă de 0,57 cm după scăderea unui fundal uniform la o temperatură de 2,735 K. Regiunile luminoase din dreapta sus și regiunile întunecate din stânga jos au arătat asimetria dipolului. O bandă strălucitoare peste mijloc a reprezentat excesul de emisii termice din Calea Lactee. Pentru a obține fluctuațiile pe scări unghiulare mai mici, a fost necesar să se scadă atât dipolul, cât și contribuțiile galactice. S-a obținut o imagine care arată produsul final după scădere. Petele de lumină și întuneric au reprezentat fluctuații de temperatură care se ridică la aproximativ o parte din 100.000 – nu cu mult mai mare decât precizia măsurătorilor.Cu toate acestea, statisticile de distribuție a fluctuațiilor unghiulare au apărut diferite de zgomotul aleatoriu, astfel încât membrii echipei de anchetă COBE au găsit primele dovezi ale abaterii de la izotropia exactă pe care cosmologii teoretici au prezis-o mult timp trebuie să fie acolo pentru ca galaxiile și grupurile de galaxiile să se condenseze dintr-un univers altfel fără structură. Aceste fluctuații corespund unor scale de distanță de ordinul a 109 ani-lumină (încă mai mari decât cele mai mari structuri materiale văzute în univers, cum ar fi gruparea enormă de galaxii numită „Marele Zid”).

Sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a fost lansată în 2001 pentru a observa fluctuațiile văzute de COBE în mai multe detalii și cu mai multă sensibilitate. de la începutul universului și-au lăsat amprenta asupra dimensiunii fluctuațiilor. Măsurătorile exacte ale WMAP au arătat că universul timpuriu era 63% materie întunecată, 15% fotoni, 12% atomi și 10% neutrini. Astăzi universul are 72,6% energie întunecată, 22,8% materie întunecată și 4,6% atomi. Deși neutrinii sunt acum o componentă neglijabilă a universului, ei își formează propriul fundal cosmic, care a fost descoperit de WMAP. WMAP a mai arătat că primele stele din univers s-au format la jumătate de miliard de ani după big bang.