Kosmiskais mikroviļņu fons (CMB) — definīcija, nozīme un atklājumi
Uzzini Kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) definīciju, nozīmi un galvenos atklājumus — no Penziasa & Vilsona atklājuma līdz Planck datiem un debess anomālijām.
Kosmiskais mikroviļņu fona starojums (CMB starojums) ir elektromagnētiskā spektra mikroviļņu daļas starojums, kas nāk no visiem kosmosa virzieniem. Ir zināms, ka tas nāk no mūsu visuma agrīnākajiem pirmsākumiem. Tā kā Visums ir ļoti liels un gaismas ātrums ir konstants, mēs zinām, ka, kad CMB gaisma nāk no agrīnā Visuma, tā ir visvecākais signāls, ko mēs varam noteikt.
Lielā sprādziena laikā radās daudz augstas enerģijas starojuma. Tad Visums kļuva lielāks un aukstāks. Tāpēc augstas enerģijas fotoni zaudēja lielāko daļu savas sākotnējās enerģijas. Tagad šis starojums atrodas elektromagnētiskā spektra mikroviļņu daļā (mikroviļņu daļai ir diezgan maza enerģija). Kosmiskais mikroviļņu fons ir starojums, kas ir ceļojis, neko nesasitot kopš brīža, kad Visums kļuva caurspīdīgs, aptuveni 380 000 gadu pēc Lielā sprādziena.
Arno Penzias un Roberts Vilsons pirmie atklāja CMB starojumu. Zinātnieki uzskata, ka CMB starojuma esamība ir svarīgs pierādījums tam, ka Lielā sprādziena teorija ir patiesa.
Kā tas radās un ko tas mums stāsta
Agrīnais Visums bija ļoti karsts un blīvs, tāpēc gaisma nepārtraukti mijiedarbojās ar brīvajiem elektroniem un protoniem. Kad temperatūra nokritās pietiekami zemu — procesu, ko sauc par rekombināciju — protoni apvienojās ar elektronēm, veidojot neitrālas atomu gāzes un padarot Visumu caurspīdīgu fotoniem. Tie fotoni, kas atstāja šo «pēdējā izkliedes virsmu» (last scattering surface), ceļo līdz mūsdienām un veido CMB. Tā spektrs atbilst gandrīz ideālam melnorganisma (blackbody) starojumam ar vidējo temperatūru apmēram 2,725 K.
Mērījumi un galvenie atklājumi
- Spektrs: COBE satelīta (1989–1993) mērījumi parādīja, ka CMB spektrs ir ārkārtīgi tuvu ideālam melnorganismam, kas bija spēcīgs pierādījums Lielā sprādziena modelim.
- Anizotropijas: COBE arī pirmo reizi detektēja ļoti mazas temperatūras svārstības (anizotropijas). Vēlākie precīzāki mērījumi — WMAP, pēc tam EKA kosmosa kuģis Planck. — kartēja šīs anizotropijas ar lielu detalizētību.
- Akustiskie maksimumi: CMB anizotropiju spektrā redzamie «pīki» (akustiskie maksimumi) sniedz svarīgu informāciju par Visuma vielas un enerģijas sastāvu, hidrodinamiku agrīnajā Visumā un par telpas ģeometriju.
- Polarizācija: CMB polarizācijas mērījumi (E‑un B‑modi) palīdz atpazīt galaktiskos trokšņus, kvantu svārstības inflācijas laikā un iespējamus gravitālās viļņošanas signālus no agrīnā Visuma.
Mikrostruktūras un anizotropijas — ko tie nozīmē
CMB nav pilnīgi viendabīgs: temperatūras atšķirības ir ļoti mazas — tikai daži mikrokelvini (10⁻⁵ K) apvidū ap vidējo vērtību. Šīs nelielās blīvuma svārstības agrīnajā Visumā vēlāk izauga un veidoja galaktiku un lielo infrastruktūru, ko redzam tagad.
Analizējot anizotropiju statistiku, kosmologi var noteikt pamatparametrus, piemēram, Hubble konstanti H0, baryonu blīvumu (Ωb), tumšās matērijas blīvumu (Ωc), kosmisko kurvātību un spektra izliekumu (ns). CMB dati nodrošina vienu no precīzākajiem rīkiem kosmoloģisko modeļu pārbaudei.
Anomālijas un atklājumi — negaidītie signāli
"vidējo temperatūru asimetrija pretējās debess puslodēs. Tas ir pretrunā ar standarta modeļa prognozi, ka Visumam vajadzētu būt ļoti līdzīgam jebkurā virzienā, kurā mēs skatāmies. Turklāt aukstais plankums aptver daudz lielāku debess daļu, nekā gaidīts".
Tam nav zināms izskaidrojums.
Turpmākajā analīzē pētnieki ir aplūkojuši vairākas iespējas, kas varētu skaidrot šīs anomālijas:
- Statistiska novirze: var gadīties, ka retas fluktuācijas rodas vienkārši nejauši, ņemot vērā to, ka mēs varam novērot tikai vienu Visumu.
- Galaktisko emisiju un instrumentālie efekti: daļa signālu var būt saistīta ar Mūsu Galaktikas putekļiem vai instrumenta sistēmiskajām kļūdām, ko vajadzīgs rūpīgi izdalīt no kosmiskā signāla.
- Jauna fizika: ja anomālijas izrādīsies reālas un nav novēršamas ar instrumentālajām korekcijām, tās var norādīt uz laikmetam neatbilstošiem procesiem agrīnā Visumā — piemēram, netipisku inflācijas scenāriju, liela mēroga struktūras vai citu kosmoloģisku fenomenu klātbūtni.
Kāpēc CMB ir tik svarīgs kosmoloģijā
CMB nodrošina «fotoattēlu» no Visuma ļoti agra posma. No tā mēs saņemam:
- tiešus pierādījumus par Lielā sprādziena thermodinamiku un agrīnām kvantu fluktuācijām,
- datu par Visuma sastāvu (baryoni, tumšā matērija, tumšā enerģija),
- ierobežojumus uz Visuma ģeometriju (plaši spēj noteikt, vai Visums ir plakans),
- ievērojamu ieroci, ar kuru testēt inflācijas modeļus un citus agrīnā Visuma procesus.
Nākotnes pētījumi
Turpinās jaunas zemes un kosmosa misijas, kas vērstas uz CMB polarizācijas precizēšanu, B‑modu meklējumiem (gravitālo viļņu signāli) un smalku anizotropiju kartēšanu ar augstāku izšķirtspēju. Tādi eksperimenti kā aktīvie zemes teleskopi (piem., ACT, SPT), BICEP/Keck un nākotnes kosmosa misijas turpinās uzlabot mūsu izpratni par agrīno Visumu un pārbaudīt iespējas, kas varētu izskaidrot pašreizējās anomālijas.
Secinot — kosmiskais mikroviļņu fons ir fundamentāls instruments kosmoloģijā: tas apstiprina Lielā sprādziena scenāriju, ļauj precīzi izmērīt Visuma pamatparametrus un piedāvā iespēju atklāt jaunu fiziku, ja anomālijas izrādīsies reālas.
Kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) temperatūras svārstības, kas iegūtas no Vilkinsona mikroviļņu anizotropijas zondes (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) septiņu gadu datiem, kas redzami visā debesu apvārsnī. Attēls ir temperatūras svārstību projekcija pa debess sfēru. Vidējā temperatūra ir 2,725 Kelvina grādi virs absolūtās nulles (absolūtā nulle atbilst -273,15 ºC jeb -459 ºF), un krāsas ataino nelielās temperatūras svārstības kā laikapstākļu kartē. Sarkanie reģioni ir siltāki, bet zilie - aukstāki par aptuveni 0,0002 grādiem.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir kosmiskais mikroviļņu fona starojums?
A: Kosmiskais mikroviļņu fona starojums (CMB starojums) ir elektromagnētiskā starojuma veids spektra mikroviļņu daļā, kas nāk no visiem kosmosa virzieniem. Tiek uzskatīts, ka tā izcelsme ir mūsu visuma agrīnākajā bērnībā.
J: Kā mēs zinām, ka CMB gaisma ir vissenākais signāls?
A: Mēs zinām, ka CMB gaisma ir visvecākais signāls, jo Visums ir ļoti liels un gaismas ātrums ir konstants. Tāpēc, kad tā sasniedz mūs no agrīnā Visuma, tā ir ceļojusi ilgu laiku, ne ar ko nesasitot.
J: Kas pirmais atklāja CMB starojumu?
A: Arno Penziass un Roberts Vilsons pirmie atklāja CMB starojumu.
J: Kādus pierādījumus tā esamība sniedz Lielā sprādziena teorijai?
A: CMB starojuma esamība kopā ar sarkanās nobīdes datiem ir svarīgs pierādījums, kas apstiprina Lielā sprādziena teoriju.
J: Ko bija paredzēts novērot ar Planck kosmisko aparātu?
A: Planck kosmosa aparāts tika konstruēts, lai novērotu kosmiskā mikroviļņu fona atšķirības mikroviļņu un infrasarkanajā frekvencē ar augstu jutību un mazu leņķa izšķirtspēju.
J: Kādus negaidītus atklājumus ir atklājuši pētnieki, analizējot Planck kosmiskā aparāta datus?
A: Pētnieki, analizējot Planck kosmosa aparāta datus, ir atklājuši vidējo temperatūru asimetriju pretējās debess puslodēs, kas ir pretrunā ar standarta modeļa prognozēm, ka Visumam vajadzētu būt līdzīgam jebkurā virzienā, kurā mēs skatāmies. Turklāt viņi atklāja arī aukstu punktu, kas aptver daudz lielāku debess apgabalu, nekā gaidīts, un pašlaik tam nav izskaidrojuma.
Meklēt