Mikrofalowe promieniowanie tła.

Mikrofalowe promieniowanie tła jest też znane jako promieniowanie reliktowe lub resztkowe. Cóż to za tajemnicza nazwa i dlaczego jest tak istotna w badaniach ewolucji kosmosu? Jak sobie zwizualizować to zjawisko? Dobrym przykładem jest spojrzenie na jakiś świecący przedmiot, jak żarówka czy latarka, i zamknięcie oczu. Będziesz widział stopniowo zanikającą białą plamę przed oczami. Promieniowanie to możemy też nazwać zdjęciem z okresu dzieciństwa lub najstarszą kosmiczną skamieliną, niczym kości dinozaurów. Porównać do pierwszych odkrywców ogromnych kości wymarłych gadów z tą różnicą, ze oni nie wiedzieli dokładnie co wykopali ponad to, że były to jakieś ogromne zwierzęta które już dawno wymarły. Sytuacja z odkryciem promieniowania tła tym się różniła od odkrycia kości dinozaurów, że naukowcy przed odkryciem wiedzieli czego mają szukać i jak to znalezisko powinno wyglądać, ponadto wiedziano, że będzie ono pochodzić z okresu około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu.

W 1965 roku dwaj fizycy Arno Allan Penzias i Robert Woodrow Wilson, podczas prac konstrukcyjnych i prób nowej anteny do łączności długodystansowej, natrafili na zakłócenia, których źródła nie mogli ustalić. Elektromagnetyczny szum wysokiej częstotliwości docierał z każdego kierunku. Pomimo iż konstruktorzy usilnie starali się zidentyfikować jego pochodzenie, włącznie z rozebraniem całej aparatury i ponownym jej złożeniem, nie udawało im się to przez długi czas. W tym samym czasie Penzais przypadkowo dowiedział się od swojego przyjaciela Bernarda Burke z uniwersytetu w Princeton, że grupa fizyków przygotowuje się do eksperymentu mającego na celu pomiar hipotetycznego promieniowania będącego pozostałością po Wielkim Wybuchu.

nasa.gov

Tak mogło by wyglądać „zdjęcie” wykonane na podstawie danych z anteny w 1965 roku.

Pierwsze teorie wskazujące na ewentualność istnienia owego promieniowania sięgają lat 40 XX wieku, kiedy amerykański fizyk rosyjskiego pochodzenia George Gamow wskazał, że pokłosiem Wielkiego Wybuchu jest promieniowanie, które powinno przetrwać do dzisiaj. Ogromny czas jaki upłynął od początku stworzenia naszego uniwersum spowodował, że temperatura promieniowania powinna być bliska zeru Kelvinom i obserwowana pod postacią mikrofal ze względu na ogromne przesunięcie ku czerwieni (efekt Dopplera). Obliczenia fizyków z Princeton wskazywały temperaturę bliską 5Kelvina. Obecny obraz promieniowania powstał około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, kiedy temperatura spadła na tyle, że wolne elektrony połączyły się z protonami tworząc atomy materii i odłączając się od fotonów (światła).

Penzias zobaczywszy uniwersyteckie obliczenia zdał sobie sprawę, że szum którego pochodzenia nie mógł zlokalizować przez długi czas jest właśnie tym zjawiskiem, którego szukają fizycy z Princeton! Odkrycie to przyniosło w 1978 roku nagrodę Nobla dla konstruktorów anteny oraz zasadniczo wzmocniło teorię Wielkiego Wybuchu.

Zgodnie z obserwacjami przekonano się, że promieniowanie jest niemal jednolite w każdym kierunku, co było zgodne z teorią inflacji, która zakłada, że tuż po Wielkim Wybuchu, w bardzo krótkim czasie, wszechświat powiększył się niemal do obecnych rozmiarów. Szybkość oraz rozmiar ekspansji tłumaczą jednorodność dzisiejszego obserwowalnego wszechświata. Ilość materii na kosmiczną jednostkę objętości (np. MegaParsek) jest stała. Niestety antena nie została zaprojektowana w celu detekcji promieniowania mikrofalowego, więc jej czułość w tym zakresie fal była zbyt mała, aby zmierzyć niewielkie wahania, które by wskazywały na miejsca w kosmosie, gdzie przed miliardami lat rodziły się galaktyki.

Dopiero wystrzelanie przez NASA w 1989 roku satelity COBE (Cosmic Background Explorer) pozwoliło na znacznie dokładniejsze pomiary temperatury promieniowania oraz oszacowanie rozkładu materii we wczesnym wszechświecie. Temperaturę mikrofalowego promieniowania tła obliczono na 2,73 Kelvinów oraz oszacowano rozkład materii. Różnica w temperaturze jest przedstawiona w skali barw. Kolor czerwony to cieplejsze obszary, niebieski oznacza miejsca chłodniejsze. Oczywiście trzeba mieć na uwadze, że różnice temperatur liczone są w tysięcznych częściach Kelvina. Dlaczego temperatura jest różna dla każdego miejsca? Ponieważ fotony (światło) zmieniały temperaturę w zależności od gęstości ośrodka przez jaki przechodziły.

nasa.gov

Zdjęcie rozkładu temperatur promieniowania tła. Czerwony pas to nasza galaktyka.

Poniżej sposób skanowania przestrzeni przez satelitę (PLANCK).

W 2001 roku został wystrzelony kolejny satelita. Zadaniem WMAP (Wilkilson Microwave Anisotropy Probe) był, tak samo jak jego poprzednika, pomiar niewielkich różnic (anizotropii) w temperaturze mikrofalowego promieniowania tła, tym razem ze zdecydowanie większą dokładnością. Te niewielkie różnice w temperaturze umożliwiły z dużą dokładnością określić rozkład materii we wszechświecie, krzywiznę przestrzeni i wiek wszechświata oraz czas, kiedy zapłonęły pierwsze gwiazdy ze wskazaniem na 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Z uzyskanych danych obliczono wiek wszechświata na 13.772±0.059 miliarda lat. Ustalono, że ilościowy rozkład materii wszechświata wynosi: 4.6% materia świecąca (widzialna), 24% ciemna materia, 71,4% ciemna energia. Według obecnego stanu wiedzy, ciemna energia jest odpowiedzialna za ekspansję kosmosu. Na podstawie tych danych można było również potwierdzić teorię inflacji, co zasadniczo wskazało, że Model Standardowy jest w znakomitej większości spójny i prawidłowo opisuje otaczający nas świat.

Zdjęcie na podstawie dziewięciu lat obserwacji.

 Dodatkowym parametrem, jaki był mierzony przez WMAP była polaryzacja. Miała wskazywać kierunki rozchodzenia się materii po Wielkim Wybuchu. Efekt polaryzacji był przewidziany wiele lat wcześniej, niemniej jednak dopiero teraz, dzięki postępowi technologii i precyzji czujników sondy, był możliwy pomiar.

nasa.gov

Model standardowy przewiduje charakterystyczny wzór dla temperatury i polaryzacji. Teraz dzięki WMAP pojawiła się możliwość weryfikacji symulacji.

Dane z satelity były zbierane na przestrzeni 9 lat jego pracy i analizowane w kolejnych pakietach po 1, 3, 5, 7 i 9 latach. Ostatecznie w 2010 roku satelita został skierowany na „cmentarną” orbitę okołosłoneczną po czterokrotnym przedłużaniu misji.

Tak samo jak po zakończeniu misji COBE, tak i w przypadku wielkiego sukcesu WMAP pozostał niedosyt i kolejne pytania naukowców. Coraz precyzyjniejsze narzędzia pomiarowe i nowe eksperymenty potwierdziły słuszność obranego kierunku badań. Mikrofalowe promieniowanie tła okazało się prawdziwą kopalnią wiedzy o wczesnych etapach ewolucji świata. Jeszcze przed ostatecznym zakończeniem misji WMAP, w kosmos został wyniesiony satelita PLANCK. Tym razem misja została zaprojektowana przez ESA we współpracy z NASA. 14 maja 2009 roku został wystrzelony satelita PLANCK. Do jego głównych zadań należało:

  • pomiar fluktuacji temperatury promieniowania tła oraz jego polaryzacji;
  • stworzenie katalogu gromad galaktyk;
  • obserwacja soczewkowania grawitacyjnego;
  • obserwacja aktywnych jąder galaktyk emitujących promieniowanie radiowe i podczerwone;
  • obserwacja pyłu międzygwiezdnego w naszej galaktyce oraz pomiar pola magnetycznego;
  • badanie naszego Układu Słonecznego, między innymi planet, asteroid, komet oraz światła zodiakalnego.

Jak więc widać apatyt rośnie w miarę jedzenia. Ogromna ilość danych uzyskana z poprzednich misji doprowadziła do powstania nowych teorii i pytań, na które być może tym razem uda się znaleźć odpowiedź. Jak ujął to jeden z członków misji „Pytania jakie teraz sobie zadajemy jeszcze dziesięć lat temu przed PLANCK’iem nawet nam się nie śniły.” Tak więc możemy być pewni, że po misji PLANCK’a, nawet jeśli znajdziemy odpowiedzi na niektóre z trapiących nas pytań, na ich miejsce pojawią się dziesiątki innych. Takimi właśnie prawami rządzi się postęp naukowy.

esa.int

Nowe oblicze naszej galaktyki. Kolor czerwony to poświata galaktycznego pyłu. Żółty pokazuje tlenek węgla, który jest skoncentrowany wzdłuż płaszczyzny Drogi Mlecznej, w najgęstszych chmurach rodzą się gwiazdy. Zielony pokazuje rodzaj promieniowania znanego jako promieniowanie hamowania, powiązane z gorącym, zjonizowanym gazem w pobliżu masywnych gwiazd. Niebieski wskazuje typ promieniowania synchrotronowego. Szybko poruszające się elektrony, wyplute z supernowych i innych zjawisk energetycznych, są złapane w pole magnetyczne galaktyki.

A więc, co nam dała kolejna misja badająca promieniowanie tła? Dzięki jeszcze precyzyjniejszym instrumentom dokładniej możemy określić:

  • wiek uniwersum na 13.798 miliarda lat;
  • skład materii wypełniającej przestrzeń oraz jej średnią gęstość: 4.9% materia widzialna, 26.8% ciemna materia, 68.3% ciemna energia;
  • prędkość rozszerzania się wszechświata 67.80 (km/s)/Mpc;
  • rozkład materii we wczesnym wszechświecie i jej zagęszczenie będące zalążkami dzisiejszych galaktyk.

Dodatkowo misja pozwoliła na:

  • podtrzymanie teorii inflacji;
  • potwierdzenie istnienia trzech rodzajów neutrin;
  • doprecyzowanie czasu, w którym zapłonęły pierwsze gwiazdy kończące epokę wieków ciemnych z 400 na 550 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
esa.int

Porównanie rozdzielczości instrumentów pomiarowych kolejnych satelitów.

Ponadto otrzymaliśmy katalog ponad 1500 gromad galaktyk dzięki któremu lepiej poznamy rozkład materii w kosmosie, co jest pomocne w badaniu ewolucji kosmosu. Przyjrzano się 400 z nich mającym masę od 100 do 1000 razy większą od naszej galaktyki. Pozwoliło to na lepsze zrozumienie natury nadal tajemniczej ciemnej materii i ciemnej energii. Czym jest owa ciemna energia i materia, o której już kilkukrotnie wspominałem w tym wpisie? Otóż tak naprawdę nie wiadomo o nich nic, albowiem są tworami hipotetycznymi. Jak dotychczas nie udało się bezpośrednio wykryć żadnej z nich. Obserwacje gromad galaktyk i ich wzajemne grawitacyjne oddziaływanie względem siebie wskazują na istnienie materii, która nie reaguje ze zwykłą materią. Policzalna masa galaktyk jest zbyt mała, aby mogła je związać siłami grawitacji i stąd hipoteza ciemnej materii zwiększająca ogólna masę, a co za tym idzie – grawitację. Ciemna energia zasadniczo różni się od ciemnej materii, albowiem jej oddziaływanie powoduje efekt przeciwny do grawitacji, czyli efekt rozpierania materii. Już sam Einstein miał problem z rozszerzającym się kosmosem. Wprowadził tak zwaną stałą kosmologiczną, czyli siłę odpowiedzialną za ekspansję, którą później nazwał swoja największą pomyłką, a która po wielu latach powraca w wielkim stylu pod postacią ciemnej energii. Ostatnie obserwacje zdają się potwierdzać istnienie ciemnej energii, niemniej jednak istnieją hipotezy wskazujące na inne możliwości wytłumaczenia przyśpieszającej ekspansji jak energia próżni czy pole kwantowe zwane kwintesencją. Pojawiły się również sugestie jakoby ogólna teoria względności w części opisującej grawitację wykazywała braki lub Ziemia znajdowała się w unikalnym miejscu w kosmosie, gdzie gęstość materii jest niższa niż w pozostałych rejonach. Jednak brak jest jakichkolwiek danych mogących potwierdzić te sugestie, co więcej, stoją one w sprzeczności z zasadą kosmologiczną.

Pod koniec 2014 roku świat obiegła informacja o odkryciu pierwotnych fal grawitacyjnych powstałych w czasie inflacji we wczesnym wszechświecie, tuz po Wielkim Wybuchu. Dane, na podstawie których dokonano obliczeń, pochodzą z obserwatorium BICEP2 znajdującego się na biegunie południowym. Fale grawitacyjne były dotąd nieuchwytne, ale dzięki analizie promieniowania tła zidentyfikowano  polaryzację  typu mod B (mody E zostały zaobserwowane przez WMAP). Fale te powstały w okresie inflacji powodując „zmarszczki” w strukturze czasoprzestrzeni i ich wpływ powinien się odznaczyć w promieniowaniu tła pod postacią właśnie polaryzacji typu B. Niestety z początkiem 2015 okazało się, że dane zostały źle zinterpretowane. W połączeniu z danymi z satelity PLANCK okazało się, że uwzględniony we wcześniejszych obliczeniach pył znajdujący się w naszej galaktyce, emituje promieniowanie niemal identyczne z promieniowaniem tła, co więcej promieniuje silniej niż zakładano. Po odjęciu emisji pyłu okazało się, że nie można jednoznacznie stwierdzić wpływu fal grawitacyjnych na mikrofalowe promieniowania tła, a co za tym idzie, okres kosmicznej inflacji pozostaje niepotwierdzony.

Zdjęcie przedstawiające spolaryzowane promieniowanie pyłu naszej galaktyki. Zdjęcie może zachwycać samym wyglądem niczym dzieło abstrakcyjnego artysty.

Zdjęcie przedstawiające spolaryzowane promieniowanie pyłu naszej galaktyki. Zdjęcie może zachwycać samym wyglądem niczym dzieło abstrakcyjnego artysty.

Zatem podsumujmy, co już wiemy. Niemal 70 lat temu po raz pierwszy pojawiły się teoretyczne rozważania o możliwości istnienia promieniowania będącego pozostałością po Wielkim Wybuchu. Zostały one wsparte modelami matematycznymi, po czym zostały zapomniane. W latach sześćdziesiątych XX wieku ponownie wrócono do koncepcji promieniowania reliktowego, po czym rozpoczęto przygotowania do ich eksperymentalnego wykrycia. Nieoczekiwanie w tym samym czasie zostało ono przypadkowo odkryte przez dwóch fizyków podczas testów anteny pierwotnie nieprzeznaczonej do tego celu. W roku 1989 zostaje wyniesiony w kosmos satelita zbudowany specjalnie w celu dokładnego pomiaru mikrofalowego promieniowania tła. Misja kończy się spektakularnym sukcesem potwierdzając tym samym Model Standardowy. Rok 2001 to start kolejnego satelity badającego promieniowanie tła z większą dokładnością. Nowe pytania które się pojawiły po misji WMAP oraz bogactwo informacji jakie można odczytać z promieniowania resztkowego powodują stworzenie kolejnej, trzeciej już misji dedykowanej temu celowi.

W międzyczasie przeprowadzono wiele innych eksperymentów mających na celu badanie promieniowania tła, opartych głównie na balonach meteorologicznych wynoszących aparaturę pomiarową w wyższe partie atmosfery oraz naziemnych laboratoriach między innymi z serii BICEP. Informacje jakie uzyskaliśmy to między innymi: wiek wszechświata oraz prędkość z jaką się rozszerza, skład i rozmieszczenie materii w przestrzeni, wielkowymiarowa struktura oraz informacje o wczesnych etapach ewolucji uniwersum. Czyż nie jest spektakularne osiągnięcie ludzkiego umysłu? Od idei do praktycznej realizacji, otrzymaliśmy ogrom wiedzy o naszym świecie i o nas samych.

esa.int

Bardziej szczegółowa grafika przedstawiająca kolejne etapy ewolucji Wszechświata na podstawie danych z satelity Planck.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s