Космически микровълнов фон (CMB): Произход, откриване и значение

Научете за Космическия микровълнов фон (CMB): произход от Големия взрив, историческо откриване, ключово значение и мистерии като асиметрии и студено петно.

Космическото микровълново фоново лъчение (CMB лъчение) е лъчение в микровълновата част на електромагнитния спектър, което идва от всички посоки в космическото пространство. Това лъчение представлява най-стария светлинен сигнал, който можем да наблюдаваме — остатъчен отпечатък от ранната история на Вселената. Тъй като Вселената се разширява и скоростта на светлината е ограничена, светлината от отдалечени региони ни достига с голямо закъснение във времето; CMB идва от епохата, когато Вселената за първи път е станала прозрачна за фотоните.

Произход и физика

В първите стотина хиляди години след Големия взрив Вселената е била гореща, плътна и йонизирана плазма, в която фотоните били многократно разсейвани от свободни електрони. С разширяването тя се охлажда; около 380 000 години след Големия взрив плазмата рекомбинира — електроните и протоните формират неутрални атоми. От този момент фотоните вече могат да пътуват свободно — те формират т.нар. повърхнина на последното разсейване (last scattering surface) и ни достигат днес като CMB.

Първоначалното изключително горещо лъчение е загубило енергия поради космологичното разширение и сега лежи в микровълновата част на спектъра. Средната температура на CMB днес е приблизително 2.725 K (приблизително 2.7 градуса над абсолютната нула). Спектърът на CMB е изключително близък до идеален черно тяло — тази характеристика е потвърдена прецизно от експеримента FIRAS на борда на мисията COBE.

Откриване и наблюдение

Арно Пензиас и Робърт Уилсън за първи път откриват излъчването на CMB през 1965 г.; откритието им е едно от най-силните наблюдателни доказателства в подкрепа на теорията за Големия взрив. По-късно редица мисии и експерименти картографират CMB с нарастваща точност:

• COBE (1989–1993) — измери чернотялото излъчване и първите големи флуктуации в температурата.
• WMAP (2001–2010) — картографира детайлно температурните анизотропии и даде прецизни стойности на основни космологични параметри.
• Планк — космическият апарат "Планк" на Европейската космическа агенция (ЕКА) — постигна още по-висока чувствителност и ъглова разделителна способност, измери детайлите на спектъра на анизотропиите и поляризацията.

Анизотропии и поляризация

CMB не е напълно хомогенен — в температурната карта се виждат малки вариации от порядъка на десетки микрокелвини (µK). Тези анизотропии носят информация за плътността, състава и динамиката на ранната Вселена. В спектъра на анизотропиите се откриват т.нар. акустични пикове, които отразяват стохастични звукови вълни в плазмата преди рекомбинацията; анализът им позволява да се определи плътността на барионите, тъмната материя, ъгловия размер на звуковия хоризонт и други ключови параметри.

Поляризацията на CMB е още един важен признак. Е-модите на поляризация са добре измерени и съвпадат с предсказанията на стандартния модел на космологията. Търсенето на B-моди (въртящи компоненти), които биха били признак за гравитационни вълни от инфлацията, е една от най-активните области на изследване — досега сигнал от първична инфлационна B-поляризация не е окончателно потвърден (забележителен е случаят с BICEP2 и по-късните анализи, които показаха влияние от прахови емисии).

Значение за космологията

• Доказателство за Големия взрив: наличието на CMB е ключов аргумент в полза на теорията за горещата Вселена и развитието ѝ от плътно и горещо състояние.
• Космологични параметри: прецизните измервания на CMB позволяват да се определи възрастта на Вселената, плътността на барионната и тъмната материя, степента на плоскост и други параметри с висока точност.
• Проучване на ранните процеси: CMB дава прозорец към физиката на много ранните моменти от живота на Вселената — включително теорията за инфлацията, която предсказва начален спектър на плътностните флуктуации.

Аномалии и оставащи въпроси

Данните от мисията Планк и предишни наблюдения откриват някои необичайни характеристики, които не са напълно обяснени:

"асиметрия в средните температури на противоположните полукълба на небето. Това противоречи на прогнозата на стандартния модел, според която Вселената би трябвало да е в общи линии сходна във всяка посока, в която погледнем. Освен това студеното петно се простира върху участък от небето, който е много по-голям от очакваното".

Сред най-обсъжданите аномалии са:

• хемисферна асиметрия (разлика в статистиките на анизотропиите между две противоположни полукълба),
• студеното петно (Cold Spot) — голяма област с по-ниска температура,
• понижена корелация при най-големите ъглови мащаби и изкривявания в низовите мултиполи (напр. квадруполата).

Възможни обяснения варират от статистически флуктуации и незавършено премахване на галактични или екстрагалактични предизвикващи ефекти до предложения за нова физика (напр. сложна космологична топология, остатъчни ефекти от ранна вселенска структура или редки космологични явления като космически текстури). Към момента няма общоприето обяснение и въпросът остава отворен.

По-нататъшни изследвания

Изследването на CMB продължава и днес с множество наземни, балонни и космически проекти. Целите включват още по-прецизни измервания на поляризацията (с особен акцент върху B-модите), подобряване на картите на фоновите анизотропии, търсене на малки спектрални отклонения и ограничаване на ранната Вселена и моделите за инфлация. Примери за текущи и планирани експерименти са наземни телескопи в Атакама и на Южния полюс, както и бъдещи космически мисии, насочени към поляризацията и фините спектрални характеристики.

Кратко резюме

Космическият микровълнов фон е фундаментален космологичен наблюдателен феномен: той е остатъчната радиация от епохата, когато Вселената е станала прозрачна, притежава почти идеален чернотял спектър с температура около 2.7 K и съдържа малки анизотропии, носещи информация за състава, историята и геометрията на Вселената. Докато много ключови въпроси са вече добре решени благодарение на наблюденията на COBE, WMAP и Планк, останалите аномалии и търсенето на първична B-поляризация обещават още открития за природата на ранната Вселена.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява космическото микровълново фоново лъчение?

Въпрос: Откъде знаем, че CMB светлината пристига като най-стария сигнал?

Въпрос: Кой пръв е открил CMB излъчването?

В: Какви доказателства за съществуването на това лъчение дава теорията за Големия взрив?

В: Какво е трябвало да наблюдава космическият апарат "Планк"?

Въпрос: Какви неочаквани открития са открити от изследователите, които анализират данните от космическия апарат "Планк"?

Търсене по буква