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.