Kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė (CMB) — Visatos ankstyvoji šviesa

Atraskite Kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę (CMB) — Visatos ankstyvą šviesą, jos ryšį su Didžiuoju sprogimu, Planck duomenimis ir netikėtomis dangaus asimetrijomis.

Kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė (CMB spinduliuotė) - tai elektromagnetinio spektro mikrobangų dalies spinduliuotė, sklindanti iš visų kosmoso krypčių. Ji yra tarsi Visatos „atsisveikinimo“ su ankstyvąja jos būsena ženklas: kadangi Visata yra labai didelė, o šviesos greitis yra pastovus, CMB spinduliuotė, atkeliaujanti iš didžiulio atstumo, yra seniausias elektromagnetinis signalas, kurį galime aptikti.

Kas tai per spinduliuotė ir iš kur ji kilo

Po Didžiojo sprogimo Visata buvo labai karšta ir tanki, pilna laisvų elektronų ir jonizuotų atomų. Šioje plazmoje fotonai nuolat sklaidėsi ir negalėjo laisvai sklisti. Maždaug po 380 000 metų Visata atvėso tiek, kad elektronai prijungėsi prie protonų ir helio branduolių — įvyko rekombinacija, ir Visata tapo skaidri fotonams. Nuo to momento fotonai ėmė laisvai keliauti erdve ir sudaro tai, ką vadiname CMB arba „paskutinio sklaidos paviršiaus“.

Pagrindinės savybės

• CMB spektras yra praktiškai idealus juodosios kūno spinduliuotės spektras. Jo temperatūra yra labai žema — vidutinė CMB temperatūra šiandien yra apie 2,725 K.
• Spektrą itin tiksliai išmatavo COBE palydovas (FIRAS instrumentas), parodęs beveik nepakitusią juodosios kūno formą.
• Temperatūros svyravimai (anizotropijos) yra labai maži — maždaug milijoniniai dalykai (kelios dešimtosios milijoninių dalių K). Šios svyravimai atspindi ankstyvosios Visatos tankio ir temperatūros netolygumus, iš kurių vėliau susiformavo galaktikos ir kitos struktūros.
• CMB taip pat yra poliarizuota — tai suteikia papildomos informacijos apie srautų ir gravitacinių laukų poveikį ankstyvajame Universe (E‑ir B‑režimai politizacijos paieškai).

Aptikimas ir svarbūs misijų rezultatai

Kosminę mikrobangų foną pirmieji eksperimentaliai aptiko Arno Penzias ir Robertas Wilsonas 1964 m. Jų atradimas pateikė stiprų argumentą už Didžiojo sprogimo modelį, kartu su kitais stebėjimais, pvz., raudonuoju poslinkiu. Už šį darbą Penzias ir Wilsonas vėliau pelnė Nobelio premiją.

Vėlesnės palydovinės ir žemės observatorijos misijos smarkiai pagerino mūsų žinias:

• COBE (1989–1996) patvirtino juodosios kūno spektrą ir pirmą kartą aptiko didžiausio mastelio anisotropijas.
• WMAP (2001–2010) labai tiksliai žemėlapiavo temperatūros svyravimus ir leido tiksliai nustatyti Visatos amžių, sudedamąsias dalis ir geometriją.
• Europos kosmoso agentūros erdvėlaivis erdvėlaivio "Planck". išmatavo CMB temperatūros ir poliarizacijos struktūras dar didesniu jautrumu ir aukštesne kampine skiriamąja geba. Planck misija baigė veiklą, tačiau jos duomenys vis dar analizuojami ir interpretuojami.

Ką mums sako CMB apie Visatą

• Anizotropijų spektras (akustinės virpesių „viršūnės“) leidžia įvertinti Visatos sudėtį: kiek yra normaliosios (baryonų) medžiagos, tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos.
• CMB duomenys kartu su kituose eksperimentuose gautais duomenimis leidžia apskaičiuoti Visatos amžių (apie 13,8 milijardo metų) ir patvirtina erdvės geometrijos artimumą plokščiam.
• Poliarizacijos tyrimai — ypač B‑režimo paieška — yra svarbūs dėl potencialaus įrodymo apie gravitacinių bangų paraiškas iš infliacijos fazės ankstyvojoje Visatoje.

Anizotropijos ir neišspręstos anomalijos

Be stochastinių (atsitiktinių) mažų svyravimų, CMB žemėlapiuose pastebėta keletas didesnio mastelio anomalijų, kurios sunkiai dera su paprastojo isotropiško kosminio standarto modelio (ΛCDM) prognozėmis. Planck duomenys ypač atkreipė dėmesį į keletą tokių reiškinių:

"vidutinės temperatūros asimetrija priešinguose dangaus pusrutuliuose. Tai prieštarauja standartinio modelio prognozei, kad Visata turėtų būti iš esmės panaši bet kuria kryptimi. Be to, šaltoji dėmė driekiasi dangaus plote, kuris yra daug didesnis, nei tikėtasi".

Nėra jokio paaiškinimo, kodėl taip atsitiko.

Galimos paaiškinimų kryptys, tiriamos mokslininkų, apima:

• instrumentines ar duomenų apdorojimo klaidas (sisteminiai efektai),
• poveikį nuo mūsų Galaktikos arba kitų priekinių šaltinių (foreground contamination),
• kosminio kintamumo (cosmic variance) statistinį poveikį — didelio mastelio komponentų skaičius mažas, todėl netikėtumus gali lemti statistika,
• galimą naują fizikos žingsnį ankstyvajame Universe, pvz., netipinę infliacijos realizaciją arba kitokius pradžios sąlygų efektus.

Apibendrinimas

Kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė yra vienas iš pagrindinių šiuolaikinės kosmologijos stebėjimų, suteikiančių tiesioginį langą į Visatos istoriją ir fiziką pirmųjų kelių šimtų tūkstančių metų. Nors bendrasis vaizdas — juodosios kūno spektrą turinti, labai tolygi, bet šiek tiek netolydi spinduliuotė — yra gerai suprantamas ir labai gerai patvirtintas, detalios anizotropijos ir kelios didelio mastelio anomalijos tebėra aktyvūs tyrimų objektai, galintys atskleisti naują fiziką arba užtvirtinti mūsų supratimą apie Visatos pradžią.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė?

Klausimas: Iš kur žinome, kad CMB šviesa atkeliauja kaip seniausias signalas?

Klausimas: Kas pirmasis aptiko CMB spinduliuotę?

K: Kokių įrodymų apie jos egzistavimą pateikia Didžiojo sprogimo teorija?

K: Ką turėjo stebėti "Planck" erdvėlaivis?

K: Kokių netikėtų atradimų atrado mokslininkai, analizuodami "Planck" erdvėlaivio duomenis?

Paieška pagal raidę