พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิค: เศษของบิ๊กแบง

Send

ภาพของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาลที่ถ่ายโดยดาวเทียมพลังค์ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) ในปี 2013 แสดงให้เห็นถึงการแปรผันเล็ก ๆ ทั่วท้องฟ้า

(ภาพ: © ESA / การทำงานร่วมกันของพลังค์)

พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิค (CMB) นั้นเชื่อว่าเป็นรังสีที่เหลือจากบิกแบงหรือเวลาที่เอกภพเริ่มขึ้น ตามทฤษฎีแล้วเมื่อเอกภพเกิดมามันก็เกิดภาวะเงินเฟ้อและการขยายตัวอย่างรวดเร็ว (จักรวาลยังคงขยายตัวในวันนี้และอัตราการขยายตัวจะแตกต่างกันไปตามที่คุณมอง) CMB แสดงถึงความร้อนที่เหลืออยู่จากบิกแบง

คุณไม่สามารถมองเห็น CMB ด้วยตาเปล่าของคุณ แต่มีอยู่ทั่วไปในจักรวาล มนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้เพราะมันเย็นมากเหลือเพียง 2.725 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ (ลบ 459.67 องศาฟาเรนไฮต์หรือลบ 273.15 องศาเซลเซียส) นี่หมายความว่ารังสีนั้นสามารถมองเห็นได้ในส่วนไมโครเวฟของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ต้นกำเนิดและการค้นพบ

เอกภพเริ่มต้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อนและ CMB มีอายุย้อนกลับไปได้ประมาณ 400,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง นั่นเป็นเพราะในช่วงแรก ๆ ของจักรวาลเมื่อมันมีขนาดเพียงหนึ่งร้อยล้านในปัจจุบันอุณหภูมิของมันก็สุดขั้ว: 273 ล้านองศา ข้างบน ศูนย์สัมบูรณ์ตาม NASA

อะตอมใดก็ตามที่อยู่ ณ เวลานั้นจะถูกแยกออกเป็นอนุภาคขนาดเล็ก (โปรตอนและอิเล็กตรอน) อย่างรวดเร็ว การแผ่รังสีจาก CMB ในโฟตอน (อนุภาคที่เป็นตัวแทนของควอนตัมของแสงหรือการแผ่รังสีอื่น ๆ ) ถูกกระจัดกระจายออกจากอิเล็กตรอน “ ดังนั้นโฟตอนจึงเคลื่อนที่ผ่านเอกภพยุคแรกเช่นเดียวกับที่แสงออพติคัลเดินผ่านหมอกหนาทึบ” NASA เขียน

ประมาณ 380,000 ปีหลังจากบิกแบงเอกภพนั้นเย็นพอที่ไฮโดรเจนจะก่อตัวขึ้น เนื่องจากโฟตอนของ CMB นั้นแทบจะไม่ได้รับผลกระทบจากการชนกับไฮโดรเจนดังนั้นโฟตอนจึงเดินทางเป็นเส้นตรง นักจักรวาลวิทยาอ้างถึง "พื้นผิวของการกระเจิงครั้งสุดท้าย" เมื่อโฟตอนของ CMB ที่โดนสสารครั้งสุดท้าย หลังจากนั้นจักรวาลก็ใหญ่เกินไป ดังนั้นเมื่อเราทำแผนที่ CMB เราจะย้อนเวลากลับไปหาบิ๊กแบงเมื่อ 380,000 ปีหลังจากเอกภพนั้นทึบแสงต่อการแผ่รังสี

นักจักรวาลวิทยาชาวอเมริกัน Ralph Apher ได้ทำนาย CMB เป็นครั้งแรกในปี 1948 เมื่อเขาทำงานกับ Robert Herman และ George Gamow ตามที่องค์การนาซ่าระบุ ทีมกำลังทำการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับบิ๊กแบงนิวคลีโนซินหรือการผลิตองค์ประกอบในจักรวาลนอกเหนือจากไอโซโทปที่เบาที่สุด (ประเภท) ของไฮโดรเจน ไฮโดรเจนชนิดนี้ถูกสร้างขึ้นเร็วมากในประวัติศาสตร์ของจักรวาล

แต่ CMB ถูกค้นพบครั้งแรกโดยบังเอิญ ในปี 1965 นักวิจัยสองคนกับ Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias และ Robert Wilson) กำลังสร้างเครื่องรับวิทยุและรู้สึกงงงวยกับเสียงที่มันดังขึ้น ในไม่ช้าพวกเขาก็ตระหนักว่าเสียงดังมาจากทั่วทุกมุมโลกอย่างสม่ำเสมอ ในเวลาเดียวกันทีมที่ Princeton University (นำโดย Robert Dicke) กำลังพยายามค้นหา CMB ทีมของ Dicke ได้รับแรงลมจากการทดลองของ Bell และตระหนักว่า CMB ถูกค้นพบแล้ว

ทั้งสองทีมเผยแพร่เอกสารใน Astrophysical Journal ในปี 1965 โดย Penzias และ Wilson พูดถึงสิ่งที่พวกเขาเห็นและทีมของ Dicke อธิบายว่ามันหมายถึงอะไรในบริบทของจักรวาล (ต่อมา Penzias และ Wilson ทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลทางฟิสิกส์ปี 1978)

ศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม

CMB นั้นมีประโยชน์สำหรับนักวิทยาศาสตร์เพราะมันช่วยให้เราเรียนรู้ว่าการก่อตัวของเอกภพในยุคเริ่มต้นได้อย่างไร มันอยู่ที่อุณหภูมิสม่ำเสมอโดยมีความผันผวนเล็กน้อยมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่แม่นยำ นักดาราศาสตร์สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับที่มาของกาแลคซีและโครงสร้างกาแลคซีขนาดใหญ่และพวกเขาสามารถวัดพารามิเตอร์พื้นฐานของทฤษฎีบิ๊กแบงได้

ในขณะที่บางส่วนของ CMB ถูกแมปในช่วงหลายทศวรรษหลังจากการค้นพบแผนที่ท้องฟ้าเต็มพื้นที่แห่งแรกนั้นมาจากภารกิจ Cosmic Background Explorer (COBE) ของนาซ่าซึ่งเปิดตัวในปี 1989 และหยุดปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ในปี 1993 ” ของเอกภพตามที่องค์การนาซ่าเรียกนั้นยืนยันการคาดการณ์ทางทฤษฎีของบิ๊กแบงและยังแสดงให้เห็นถึงโครงสร้างของจักรวาลที่ไม่เคยเห็นมาก่อน ในปี 2549 รางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ได้รับรางวัลสำหรับนักวิทยาศาสตร์ COBE John Mather ที่ NASA Goddard Space Flight Center และ George Smoot จาก University of California, Berkeley

แผนที่ที่มีรายละเอียดมากขึ้นมาในปี 2546 ด้วยความอนุเคราะห์จาก Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ซึ่งเปิดตัวเมื่อเดือนมิถุนายน 2544 และหยุดรวบรวมข้อมูลวิทยาศาสตร์ในปี 2010 ภาพแรก pegged อายุของจักรวาลที่ 13.7 พันล้านปี ปี) และยังเผยให้เห็นถึงความประหลาดใจ: ดาวที่มีอายุมากที่สุดเริ่มส่องแสงประมาณ 200 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้

นักวิทยาศาสตร์ติดตามผลเหล่านั้นโดยการศึกษาขั้นตอนการขยายตัวของเอกภพในช่วงแรก ๆ (ในล้านล้านวินาทีหลังจากการก่อตัว) และโดยการให้พารามิเตอร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับความหนาแน่นของอะตอมความหนาแน่นของเอกภพและคุณสมบัติอื่น ๆ ของจักรวาล พวกเขายังเห็นความไม่สมดุลที่แปลกประหลาดในอุณหภูมิเฉลี่ยทั้งในซีกโลกทั้งสองของท้องฟ้าและ "จุดเย็น" ที่ใหญ่กว่าที่คาดไว้ ทีม WMAP ได้รับรางวัล Breakthrough Prize ประจำปี 2018 สาขาฟิสิกส์พื้นฐานสำหรับการทำงาน

ในปี 2013 ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศพลังค์ขององค์การอวกาศยุโรปได้รับการเผยแพร่ซึ่งแสดงภาพความแม่นยำสูงสุดของ CMB นักวิทยาศาสตร์เปิดเผยความลึกลับอีกครั้งด้วยข้อมูลนี้: ความผันผวนของ CMB ในระดับเชิงมุมขนาดใหญ่ไม่ตรงกับการทำนาย พลังค์ยังยืนยันสิ่งที่ WMAP เห็นในแง่ของความไม่สมดุลและจุดที่หนาวเย็น การปล่อยข้อมูลขั้นสุดท้ายของพลังค์ในปี 2018 (ภารกิจที่ดำเนินการระหว่างปี 2009 และ 2013) แสดงให้เห็นว่าสสารมืดและพลังงานมืด - กองกำลังลึกลับที่น่าจะอยู่เบื้องหลังการเร่งความเร็วของเอกภพดูเหมือนจะมีอยู่จริง

ความพยายามด้านการวิจัยอื่น ๆ ได้พยายามมองแง่มุมต่าง ๆ ของ CMB หนึ่งคือการกำหนดประเภทของโพลาไรเซชันที่เรียกว่า E-mode (ค้นพบโดยเครื่องวัดความต่างศักย์เชิงมุมระดับแอนตาร์กติกาในปี 2545) และโหมด B B- โหมดสามารถผลิตได้จากเลนส์ความโน้มถ่วงของ E- โหมด (เลนส์นี้ถูกเห็นครั้งแรกโดยกล้องโทรทรรศน์ขั้วโลกใต้ในปี 2013) และคลื่นความโน้มถ่วง (ซึ่งถูกพบครั้งแรกในปี 2016 โดยใช้ขั้นสูงเลเซอร์ Interferometer Gravitational Wave Observatory หรือ LIGO) ในปี 2014 เครื่องมือ BICEP2 ที่ใช้แอนตาร์กติกกล่าวกันว่าได้พบคลื่นความโน้มถ่วง B-mode แต่การสังเกตเพิ่มเติม (รวมถึงงานจากพลังค์) แสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์เหล่านี้เกิดจากฝุ่นจักรวาล

ตั้งแต่กลางปี 2018 นักวิทยาศาสตร์ยังคงมองหาสัญญาณที่แสดงการขยายตัวของเอกภพอย่างรวดเร็วหลังจากบิกแบงไม่นาน ในเวลานั้นจักรวาลก็ใหญ่ขึ้นในอัตราที่เร็วกว่าความเร็วแสง หากสิ่งนี้เกิดขึ้นนักวิจัยสงสัยว่าควรมองเห็นสิ่งนี้ใน CMB ผ่านรูปแบบโพลาไรซ์ การศึกษาในปีนั้นชี้ให้เห็นว่าแสงจาก nanodiamond สร้างแสงสลัว แต่มองเห็นได้ซึ่งรบกวนการสังเกตของจักรวาล ขณะนี้มีการเรืองแสงนี้เป็นสาเหตุการสืบสวนในอนาคตสามารถลบออกเพื่อให้มองหาโพลาไรซ์จาง ๆ ใน CMB ได้ดีขึ้น

ทรัพยากรเพิ่มเติม