Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) είναι υπολειπόμενη ακτινοβολία από το Μεγάλη έκρηξη ή την εποχή που ξεκίνησε το σύμπαν. Όπως λέει η θεωρία, όταν γεννήθηκε το σύμπαν υπέστη ταχεία διόγκωση, διαστολή και ψύξη. (Το σύμπαν εξακολουθεί να διαστέλλεται σήμερα, και ο ρυθμός επέκτασης εμφανίζεται διαφορετικός ανάλογα με το πού κοιτάζετε). Το CMB αντιπροσωπεύει τη θερμότητα που απομένει από τη Μεγάλη Έκρηξη.
Δεν μπορείτε να δείτε το CMB με γυμνό μάτι, αλλά είναι παντού στο σύμπαν. Είναι αόρατο στους ανθρώπους επειδή είναι τόσο κρύο, μόλις 2,725 μοίρες πάνω από το απόλυτο μηδέν (μείον 459,67 βαθμούς Φαρενάιτ ή μείον 273,15 βαθμοί Κελσίου.) Αυτό σημαίνει ότι η ακτινοβολία του είναι πιο ορατή στο τμήμα μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.
Σύμφωνα με τη NASA, το CMB γεμίζει το σύμπαν και τις μέρες πριν από την καλωδιακή τηλεόραση κάθε νοικοκυριό με τηλεόραση μπορούσε να δει η υστεροφημία της Μεγάλης Έκρηξης. Γυρίζοντας την τηλεόραση σε ένα κανάλι “ενδιάμεσα”, θα μπορούσατε να δείτε το CMB ως ένα στατικό σήμα στην οθόνη.
Σχετίζεται με: Μερικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορεί να περιέχουν δακτυλικά αποτυπώματα από τη Μεγάλη Έκρηξη
Πώς σχηματίστηκε το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων;
Το σύμπαν ξεκίνησε πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια και το CMB χρονολογείται περίπου 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό οφείλεται στο ότι στα πρώτα στάδια του σύμπαντος, όταν ήταν μόλις το ένα εκατομμυριοστό του μεγέθους που έχει σήμερα, η θερμοκρασία του ήταν ακραία: 273 εκατομμύρια βαθμούς πάνω από απόλυτο μηδενικό, σύμφωνα με τη NASA.
Οποιαδήποτε άτομα υπήρχαν εκείνη την εποχή διασπάστηκαν γρήγορα σε μικρά σωματίδια (πρωτόνια και ηλεκτρόνια). Η ακτινοβολία από το CMB στα φωτόνια (σωματίδια που αντιπροσωπεύουν κβάντα φωτός ή άλλη ακτινοβολία) διασκορπίστηκε από τα ηλεκτρόνια. «Έτσι, τα φωτόνια περιπλανήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν, όπως το οπτικό φως περιπλανιέται μέσα από μια πυκνή ομίχλη», έγραψε η NASA.
Περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν αρκετά δροσερό ώστε να μπορούσε να σχηματιστεί υδρογόνο. Επειδή τα φωτόνια CMB επηρεάζονται ελάχιστα από το χτύπημα του υδρογόνου, τα φωτόνια ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές. Οι κοσμολόγοι αναφέρονται σε μια «επιφάνεια τελευταίας σκέδασης» όταν τα φωτόνια CMB χτύπησαν τελευταία φορά την ύλη. μετά από αυτό, το σύμπαν ήταν πολύ μεγάλο. Έτσι, όταν χαρτογραφούμε το CMB, κοιτάμε πίσω στο χρόνο σε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, μόλις το σύμπαν ήταν αδιαφανές στην ακτινοβολία.
Ποιος ανακάλυψε το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων;
Ο Αμερικανός κοσμολόγος Ralph Apher προέβλεψε για πρώτη φορά το CMB το 1948, όταν δούλευε με τον Robert Herman και τον George Gamow, σύμφωνα με τη NASA. Η ομάδα έκανε έρευνα σχετικά με τη νουκλεοσύνθεση του Big Bang, ή την παραγωγή στοιχείων στο σύμπαν εκτός από το ελαφρύτερο ισότοπο (τύπος) υδρογόνου. Αυτός ο τύπος υδρογόνου δημιουργήθηκε πολύ νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος.
Αλλά το CMB βρέθηκε για πρώτη φορά τυχαία. Το 1965, δύο ερευνητές με τα Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias και Robert Wilson) δημιουργούσαν έναν ραδιοφωνικό δέκτη και έμειναν μπερδεμένοι από τον θόρυβο που λάμβανε. Σύντομα συνειδητοποίησαν ότι ο θόρυβος προερχόταν ομοιόμορφα από όλο τον ουρανό. Την ίδια στιγμή, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον (με επικεφαλής τον Robert Dicke) προσπαθούσε να βρει το CMB. Η ομάδα του Dicke αντιλήφθηκε το πείραμα Bell και συνειδητοποίησε ότι το CMB είχε βρεθεί.
Και οι δύο ομάδες δημοσίευσαν γρήγορα άρθρα στο Astrophysical Journal το 1965, με τους Penzias και Wilson να μιλούν για αυτό που είδαν και την ομάδα του Dicke να εξηγούν τι σημαίνει στο πλαίσιο του σύμπαντος. (Αργότερα, ο Penzias και ο Wilson έλαβαν και οι δύο το Νόμπελ Φυσικής το 1978).
Τι μας λέει το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων;
Το CMB είναι χρήσιμο για τους επιστήμονες επειδή μας βοηθά να μάθουμε πώς σχηματίστηκε το πρώιμο σύμπαν. Είναι σε ομοιόμορφη θερμοκρασία με μικρές μόνο διακυμάνσεις ορατές με ακριβή τηλεσκόπια. «Με τη μελέτη αυτών των διακυμάνσεων, οι κοσμολόγοι μπορούν να μάθουν για την προέλευση των γαλαξιών και τις δομές γαλαξιών μεγάλης κλίμακας και μπορούν να μετρήσουν τις βασικές παραμέτρους της θεωρίας του Big Bang», έγραψε η NASA.
Ενώ τμήματα του CMB χαρτογραφήθηκαν τις επόμενες δεκαετίες μετά την ανακάλυψή του, ο πρώτος διαστημικός χάρτης πλήρους ουρανού προήλθε από την αποστολή Cosmic Background Explorer (COBE) της NASA, η οποία ξεκίνησε το 1989 και σταμάτησε τις επιστημονικές δραστηριότητες το 1993. «εικόνα μωρού» του σύμπαντος, όπως την αποκαλεί η NASA, επιβεβαίωσε τις προβλέψεις της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης και έδειξε επίσης υπαινιγμούς κοσμικής δομής που δεν είχαν δει πριν. Το 2006, το Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε στους επιστήμονες COBE John Mather στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων της NASA Goddard και George Smoot στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.
Ένας πιο λεπτομερής χάρτης ήρθε το 2003 χάρη στο Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ο οποίος ξεκίνησε τον Ιούνιο του 2001 και σταμάτησε να συλλέγει επιστημονικά δεδομένα το 2010. Η πρώτη εικόνα καθόρισε την ηλικία του σύμπαντος στα 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια (μια μέτρηση που έχει τελειοποιηθεί στα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια) και αποκάλυψε επίσης μια έκπληξη: τα παλαιότερα αστέρια άρχισαν να λάμπουν περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πολύ νωρίτερα από ό,τι είχε προβλεφθεί.
Οι επιστήμονες παρακολούθησαν αυτά τα αποτελέσματα μελετώντας τα πολύ πρώιμα στάδια πληθωρισμού του σύμπαντος (στο τρισεκατομμυριοστό δευτερόλεπτο μετά τον σχηματισμό) και από δίνοντας πιο ακριβείς παραμέτρους σχετικά με την πυκνότητα του ατόμου, τον όγκο του σύμπαντος και άλλες ιδιότητες του σύμπαντος λίγο μετά τον σχηματισμό του. Είδαν επίσης μια περίεργη ασυμμετρία στις μέσες θερμοκρασίες και στα δύο ημισφαίρια του ουρανού, και ένα «ψυχρό σημείο» που ήταν μεγαλύτερο από το αναμενόμενο. Η ομάδα WMAP έλαβε το Breakthrough Prize in Fundamental Physics για το 2018 για τη δουλειά τους.
Το 2013, στοιχεία από την Κυκλοφόρησε το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, εμφανίζοντας την εικόνα με την υψηλότερη ακρίβεια του CMB μέχρι σήμερα. Οι επιστήμονες αποκάλυψαν ένα άλλο μυστήριο με αυτές τις πληροφορίες: Οι διακυμάνσεις στο CMB σε μεγάλες γωνιακές κλίμακες δεν ταίριαζαν με τις προβλέψεις. Ο Planck επιβεβαίωσε επίσης αυτό που είδε το WMAP όσον αφορά την ασυμμετρία και το ψυχρό σημείο. Η τελική δημοσιοποίηση δεδομένων του Planck το 2018 (η αποστολή που πραγματοποιήθηκε μεταξύ 2009 και 2013) έδειξε περισσότερες αποδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια – μυστηριώδεις δυνάμεις που είναι πιθανώς πίσω από την επιτάχυνση του σύμπαντος – φαίνεται να υπάρχουν.
Άλλες ερευνητικές προσπάθειες έχουν προσπαθήσει να εξετάσουν διαφορετικές πτυχές του CMB. Ο ένας είναι ο προσδιορισμός των τύπων πόλωσης που ονομάζονται E-modes (που ανακαλύφθηκαν από το συμβολόμετρο γωνιακής κλίμακας μοιρών με βάση την Ανταρκτική το 2002) και B-modes. Οι λειτουργίες B μπορούν να παραχθούν από βαρυτικό φακό των E-modes (αυτός ο φακός ήταν είδαν για πρώτη φορά το τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου το 2013) και βαρυτικά κύματα (τα οποία παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2016 χρησιμοποιώντας το Προηγμένο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ ή LIGO). Το 2014, το όργανο BICEP2 με βάση την Ανταρκτική λέγεται ότι βρήκε τρόπους βαρυτικού κύματος Β, αλλά μια περαιτέρω παρατήρηση (συμπεριλαμβανομένης της εργασίας από τον Planck) έδειξε αυτά τα αποτελέσματα οφείλονταν στην κοσμική σκόνη.
Από τα μέσα του 2018, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναζητούν το σήμα που έδειξε μια σύντομη περίοδο γρήγορης διαστολής του σύμπαντος λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Εκείνη την εποχή, το σύμπαν γινόταν μεγαλύτερο με ρυθμό μεγαλύτερο από την ταχύτητα του φωτός. Εάν συμβεί αυτό, οι ερευνητές υποπτεύονται ότι αυτό θα πρέπει να είναι ορατό στο CMB μέσω μιας μορφής πόλωσης. Μια μελέτη εκείνη τη χρονιά το έδειξε μια λάμψη από νανοδιαμάντια δημιουργεί ένα αχνό, αλλά ευδιάκριτο, φως που παρεμβαίνει στις κοσμικές παρατηρήσεις. Τώρα που λαμβάνεται υπόψη αυτή η λάμψη, μελλοντικές έρευνες θα μπορούσαν να την αφαιρέσουν για να αναζητήσουν καλύτερα την αμυδρή πόλωση στο CMB, είπαν τότε οι συγγραφείς της μελέτης.
Πρόσθετη ανάγνωση
Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων και τη Μεγάλη Έκρηξη, ρίξτε μια ματιά σε αυτό δωρεάν μάθημα με το Ανοικτό Πανεπιστήμιο. Μπορείτε να εξερευνήσετε το παράξενο “κρύο σημείο” στο κοσμικό φόντο μικροκυμάτων με περισσότερες λεπτομέρειες με αυτό το άρθρο από Κόσμος Φυσικής και το Ιστοσελίδα Planck στο Ηνωμένο Βασίλειο σας επιτρέπει να περιηγηθείτε στους χάρτες του ουρανού που δημιουργήθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck.