Upptäckt av den kosmiska bakgrunden

Från och med 1948 undersökte den amerikanska kosmologen George Gamow och hans medarbetare, Ralph Alpher och Robert Herman, idén att de kemiska elementen kan ha syntetiserats av termonukleära reaktioner som ägde rum i en uråldrig eldklot. Enligt deras beräkningar skulle den höga temperaturen associerad med det tidiga universum ha gett upphov till ett värmestrålningsfält, som har en unik intensitetsfördelning med våglängden (känd som Plancks strålningslag), det är bara en funktion av temperaturen. När universum expanderade skulle temperaturen ha sjunkit, varvid varje foton rödförskjutits av den kosmologiska expansionen till längre våglängd, som den amerikanska fysikern Richard C. Tolman redan hade visat 1934. Vid den aktuella epoken skulle strålningstemperaturen ha sjunkit till mycket låg. värden, cirka 5 kelviner över absolut noll (0 kelvin eller −273 ° C) enligt uppskattningarna av Alpher och Herman.

Intresset för dessa beräkningar minskade bland de flesta astronomer när det blev uppenbart att lejonens andel av syntesen av element som är tyngre än helium måste ha inträffat i stjärnor snarare än i en het big bang. I början av 1960-talet tog fysiker vid Princeton University, New Jersey, liksom i Sovjetunionen upp problemet igen och började bygga en mikrovågsmottagare som skulle kunna upptäcka, med belgiska prästens och kosmologens ord Georges Lemaître, ” försvunnit briljans från världarnas ursprung. ”

Den faktiska upptäckten av relikstrålningen från den ursprungliga eldkulan inträffade dock av misstag. I experiment som utfördes i samband med den första Telstar-kommunikationssatelliten, två forskare, Arno Penzias och Robert Wilson, från Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, mätte överflödigt radiobrus som verkade komma från himlen på ett helt isotropiskt sätt (det vill säga radiobruset var detsamma i alla riktningar). konsulterade Bernard Burke från Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, om problemet, insåg Burke att Penzias och Wilson troligen hade hittat den kosmiska bakgrundsstrålningen som Robert H. Dicke, PJE Pe ebles, och deras kollegor på Princeton planerade att söka efter. Kom i kontakt med varandra, de två grupperna publicerades samtidigt 1965 papper som beskriver förutsägelse och upptäckt av ett universellt termiskt strålningsfält med en temperatur på cirka 3 K.

Exakta mätningar gjorda av Cosmic Background Explorer (COBE) -satelliten som lanserades 1989 bestämde att spektrumet skulle vara exakt karaktäristiskt för en svart kropp vid 2.735 K. Satellitens hastighet kring jorden, Jorden om solen, solen om galaxen och galaxen genom universum får faktiskt att temperaturen verkar något varmare (med ungefär en del av 1000) i rörelseriktningen snarare än bort från den. Storleken på denna effekt – den så kallade dipolanisotropin – gör det möjligt för astronomer att bestämma att den lokala gruppen (gruppen galaxer som innehåller Vintergatan) rör sig med en hastighet på cirka 600 km per sekund (km / s; 400 miles) per sekund) i en riktning som är 45 ° från riktningen för Jungfruklustret. Sådan rörelse mäts inte i förhållande till själva galaxerna (Jungfru-galaxerna har en genomsnittlig nedgångshastighet på cirka 1000 km / s i förhållande till Vintergatan) men i förhållande till en lokal referensram där den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen skulle visas som ett perfekt Planck-spektrum med en enda strålningstemperatur.

COBE-satelliten bar instrument ombord som gjorde det möjligt att mäta små fluktuationer i intensiteten av bakgrundsstrålningen som skulle vara början på strukturen (dvs. galaxer och kluster av galaxer) i universum. Satelliten sände ett intensitetsmönster i vinkelprojektion vid en våglängd på 0,57 cm efter subtraktion av en enhetlig bakgrund vid en temperatur av 2,735 K. Ljusa regioner längst upp till höger och mörka områden längst ner till vänster visade dipolasymmetrin. En ljus remsa över mitten representerade överflödigt termiskt utsläpp från Vintergatan. För att uppnå fluktuationerna på mindre vinkelskalor var det nödvändigt att subtrahera både dipolen och de galaktiska bidragen. En bild erhölls som visade den slutliga produkten efter subtraktionen. Fläckar av ljus och mörker representerade temperaturfluktuationer som uppgår till ungefär en del av 100 000 – inte mycket högre än mätnoggrannheten.Ändå verkade statistiken över fördelningen av vinkelfluktuationer skiljer sig från slumpmässigt buller, och därför fann medlemmarna i COBE: s undersökningsgrupp de första bevisen för avvikelsen från exakt isotropi som teoretiska kosmologer länge förutspått måste vara där för att galaxer och kluster galaxer för att kondensera från ett annars strukturlöst universum. Dessa fluktuationer motsvarar avståndsskalor i storleksordningen 109 ljusår över (fortfarande större än de största materialstrukturerna i universum, till exempel den enorma grupperingen av galaxer som kallas ”Kinesiska muren”).

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) lanserades 2001 för att observera de fluktuationer som COBE ser mer detaljerat och med mer känslighet. ditioner i början av universum lämnade sitt avtryck på storleken på fluktuationerna. WMAP: s noggranna mätningar visade att det tidiga universum var 63 procent mörk materia, 15 procent fotoner, 12 procent atomer och 10 procent neutriner. Idag är universum 72,6 procent mörk energi, 22,8 procent mörk materia och 4,6 procent atomer. Även om neutriner nu är en försumbar del av universum, bildar de sin egen kosmiska bakgrund, som upptäcktes av WMAP. WMAP visade också att de första stjärnorna i universum bildades en halv miljard år efter big bang.