Изображение космического микроволнового фонового излучения, полученное спутником Planck Европейского космического агентства (ESA) в 2013 году, показывает небольшие изменения по небу
(Изображение: © ESA / Planck Collaboration)
Считается, что космический микроволновый фон (CMB) - это оставшееся излучение Большого взрыва, или время, когда началась Вселенная. Как гласит теория, когда вселенная родилась, она подверглась быстрой инфляции и расширению. (Вселенная все еще расширяется сегодня, и скорость расширения кажется различной в зависимости от того, куда вы смотрите). CMB представляет тепло, оставшееся от Большого взрыва.
Вы не можете видеть CMB невооруженным глазом, но это везде во вселенной. Он невидим для человека, потому что он такой холодный, всего на 2,725 градуса выше абсолютного нуля (минус 459,67 градуса по Фаренгейту или минус 273,15 градуса по Цельсию). Это означает, что его излучение наиболее заметно в микроволновой части электромагнитного спектра.
Происхождение и открытия
Вселенная началась 13,8 миллиардов лет назад, а CMB датируется примерно 400 000 лет после Большого взрыва. Это связано с тем, что на ранних стадиях существования Вселенной, когда она была всего лишь в сто миллионов раз больше, чем сегодня, ее температура была экстремальной: 273 миллиона градусов. над абсолютный ноль, по данным НАСА.
Любые атомы, присутствовавшие в то время, были быстро разбиты на мелкие частицы (протоны и электроны). Излучение от CMB в фотонах (частицы, представляющие кванты света или другое излучение) было рассеянным от электронов. «Таким образом, фотоны блуждали по ранней вселенной, так же как оптический свет блуждает в густом тумане», - пишет НАСА.
Приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была достаточно холодной, чтобы мог образоваться водород. Поскольку фотоны CMB практически не подвержены воздействию водорода, они движутся по прямым линиям. Космологи ссылаются на «поверхность последнего рассеяния», когда фотоны CMB в последний раз попадают в вещество; после этого вселенная стала слишком большой. Поэтому, когда мы наносим на карту CMB, мы оглядываемся во времени на 380 000 лет после Большого взрыва, сразу после того, как вселенная оказалась непрозрачной для радиации.
Американский космолог Ральф Апер впервые предсказал CMB в 1948 году, когда он работал с Робертом Германом и Джорджем Гамоу, сообщает NASA. Команда проводила исследования, связанные с нуклеосинтезом Большого взрыва или производством элементов во вселенной, помимо самого легкого изотопа (типа) водорода. Этот тип водорода был создан очень рано в истории вселенной.
Но CMB был впервые обнаружен случайно. В 1965 году два исследователя из Bell Telephone Laboratories (Арно Пензиас и Роберт Уилсон) создавали радиоприемник и были озадачены шумом, который он собирал. Вскоре они поняли, что шум идет равномерно со всего неба. В то же время команда из Принстонского университета (во главе с Робертом Дике) пыталась найти CMB. Команда Дике узнала об эксперименте с Беллом и поняла, что CMB найден.
Обе команды быстро опубликовали статьи в Astrophysical Journal в 1965 году, когда Пензиас и Уилсон рассказали о том, что они видели, а команда Дике объяснила, что это значит в контексте вселенной. (Позже Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике 1978 года).
Учимся более подробно
CMB полезен для ученых, потому что он помогает нам узнать, как была сформирована ранняя вселенная. Он имеет одинаковую температуру с небольшими колебаниями, видимыми с помощью точных телескопов. «Изучая эти колебания, космологи могут узнать о происхождении галактик и крупномасштабных структурах галактик, а также измерить основные параметры теории Большого взрыва», - пишет НАСА.
В то время как части CMB были нанесены на карту в последующие десятилетия после его открытия, первая космическая карта полного неба пришла от миссии NASA Cosmic Background Explorer (COBE), которая была запущена в 1989 году и прекратила научные операции в 1993 году. Это «детское изображение» ”Вселенной, как называет это НАСА, подтвердили предсказания теории Большого взрыва, а также продемонстрировали намеки на космическую структуру, которые ранее не наблюдались. В 2006 году Нобелевская премия по физике была присуждена ученым COBE Джону Мезеру в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА и Джорджу Смуту в Калифорнийском университете в Беркли.
Более подробная карта была предоставлена в 2003 году благодаря Микроволновому зонду анизотропии Уилкинсона (WMAP), который был запущен в июне 2001 года и прекратил сбор научных данных в 2010 году. Первая картина показала возраст Вселенной в 13,7 миллиарда лет (измерение с тех пор уточнено до 13,8 миллиарда). лет), а также обнаружил сюрприз: самые старые звезды начали сиять примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва, намного раньше, чем прогнозировалось.
Ученые следили за этими результатами, изучая самые ранние стадии инфляции Вселенной (на триллионной секунде после образования) и давая более точные параметры плотности атомов, кусковости Вселенной и других свойств вселенной вскоре после ее образования. Они также увидели странную асимметрию средних температур в обоих полушариях неба и «холодное пятно», которое оказалось больше, чем ожидалось. Команда WMAP получила Приз за прорыв в фундаментальной физике в 2018 году за свою работу.
В 2013 году были опубликованы данные с космического телескопа Planck Европейского космического агентства, которые показали наивысшую точность изображения CMB. Ученые раскрыли еще одну загадку с этой информацией: колебания в CMB в больших угловых масштабах не соответствовали прогнозам. Планк также подтвердил то, что WMAP видел с точки зрения асимметрии и холодной точки. Окончательный выпуск данных Планка в 2018 году (миссия проводилась в период с 2009 по 2013 год) показал больше доказательств того, что темная материя и темная энергия - таинственные силы, которые, вероятно, стоят за ускорением Вселенной - действительно существуют.
Другие исследования попытались взглянуть на различные аспекты CMB. Одним из них является определение типов поляризации, называемых E-модами (открытыми в Антарктике в 2002 году в интерферометре угловых масштабов) и B-модами. B-моды могут быть получены из гравитационного линзирования E-мод (такое линзирование впервые было замечено на телескопе Южного полюса в 2013 году) и гравитационных волн (которые впервые были обнаружены в 2016 году с использованием усовершенствованной лазерной интерферометра, гравитационной волновой обсерватории, или LIGO). В 2014 году прибор BICEP2 на основе Антарктики, как сообщалось, обнаружил B-моды гравитационных волн, но дальнейшие наблюдения (включая работу Планка) показали, что эти результаты были связаны с космической пылью.
По состоянию на середину 2018 года ученые все еще ищут сигнал, который показал короткий период быстрого расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. В то время вселенная увеличивалась со скоростью, превышающей скорость света. Если это произошло, исследователи подозревают, что это должно быть видно в CMB через форму поляризации. Исследование того года показало, что свечение от наноалмазов создает слабый, но различимый свет, который мешает космическим наблюдениям. Теперь, когда это свечение учтено, будущие исследования могли бы устранить его, чтобы лучше искать слабую поляризацию в CMB, говорили авторы исследования в то время.
Дополнительный ресурс
- НАСА: испытания Большого взрыва: CMB
