Kosmisk mikrobølgebaggrund (CMB): Definition, opdagelse og betydning

Kosmisk mikrobølgebaggrund (CMB): opdagelse, betydning for Big Bang, Planck-data og uventede anisotropier — udforsk universets ældste lys.

Kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling (CMB-stråling) er stråling i mikrobølgedelen af det elektromagnetiske spektrum, som kommer fra alle retninger i det ydre rum. Den stammer fra vores tidligste spæde univers: fordi universet er meget stort, og lysets hastighed er endelig, når vi modtager denne stråling fra meget fjern fortid, får vi det ældste elektromagnetiske signal, vi kan registrere i dag.

Opdagelse

Arno Penzias og Robert Wilson opdagede først CMB-strålingen i 1964, da de fandt en uforklarlig, homogen baggrundsstøj i en mikro-radioteleskopantenne. Opdagelsen blev hurtigt tolket som et ekko af en varm tid i universets tidlige historie, og i 1978 fik Penzias og Wilson Nobelprisen i fysik for denne opdagelse. Sammen med målinger af rødforskydningen er et dette et centralt bevis for Big Bang-modellen.

Hvor kommer CMB fra?

Under Big Bang blev der skabt en tæt, varm blanding af partikler og højenergi-fotoner. Som universet udvidede sig, blev det også koldere. Efter cirka 380 000 år var temperaturen faldet nok til, at elektroner og protoner kunne kombinere til neutrale atomer — en proces kaldet rekombination. Før dette tidspunkt blev fotoner konstant spredt rundt af frie elektroner; efter rekombination kunne fotonerne bevæge sig frit. Den stråling, der har bevæget sig uden at blive spredt siden dette tidspunkt, udgør den CMB, vi i dag ser som en næsten perfekt sortlegeme-baggrund.

Observationer og instrumenter

De første detaljerede målinger af CMB's spektrum og anisotropier kom fra satellitmissioner og jordbaserede teleskoper:

• COBE (1989–1993) målte for første gang, at baggrundsstrålingen har et næsten perfekt sortlegeme-spektrum.
• WMAP (2001–2010) lavede et præcist kort over temperaturvariationerne og målte vigtige kosmologiske parametre.
• Planck-rumfartøjet, der drives af Den Europæiske Rumorganisation (ESA), observerede himlen ved mikrobølge- og submillimeter-frekvenser med meget høj følsomhed og høj vinkelopløsning. Planck gennemførte kortlægning fra 2009 til 2013, og de endelige dataudgivelser (særligt i 2013 og 2018) har givet de mest detaljerede CMB-kort til dato.

Egenskaber ved CMB

Temperatur: Den gennemsnitlige temperatur af CMB er omkring 2,725 K. Spektralmålinger viser, at CMB næsten perfekt følger et sortlegeme-spektrum, hvilket understøtter, at strålingen stammer fra et varmt, tæt tidligt univers.

Anisotropier: Temperaturen er dog ikke fuldstændig ens over himlen — der findes små variationer på størrelsesordenen én del i 100.000 (10^-5). Disse små udsving repræsenterer tæthedsforskelle i det tidlige univers, som senere udviklede sig til den store strukturer vi ser i dag (galakser, galaksehobe osv.).

Polarisation: CMB er også svagt polariseret. Målinger af E-mode-polarisering hjælper med at bestemme reioniseringstiden og andre kosmologiske parametre. Søgningen efter B-mode-polarisation knyttet til gravitationelle bølger fra inflation er et aktivt forskningsfelt; tidligere påstande om direkte påvisning viste sig at være påvirket af galaktisk støv.

Betydning for kosmologi

CMB er et af de mest informative observationssæt i kosmologi. Fra CMB kan forskere bestemme:

• universets alder (ca. 13,8 milliarder år),
>indholdet af universet (mørk energi, mørkt stof og almindeligt stof),
• rumlig geometri (meget tæt på flad),
• primordiale tætheder og spektralindeks for de oprindelige fluktuationer, som giver indsigt i inflationære modeller,
• og parametre som Hubble-konstanten, baryontæthed og optisk dybde til reionisering.

Anomalier og åbne spørgsmål

"en asymmetri i gennemsnitstemperaturerne på de modsatte halvkugler af himlen. Dette er i modstrid med standardmodellens forudsigelse om, at universet i det store og hele skulle være ens i alle retninger, vi kigger. Desuden strækker et koldt punkt sig over en del af himlen, der er meget større end forventet".

Plancks data bekræftede, at CMB i store træk er i overensstemmelse med den kosmologiske standardmodel (Lambda-CDM), men nogle uregelmæssigheder ved store skalaer vedbliver at vække opsigt:

• et lavt amplitude i de største multipoler (lav-l problemer),
• en hemisfærisk asymmetri i middeltemperaturer,
• og et såkaldt "koldt punkt" (Cold Spot), som er større og koldere end forventet fra simple tilfældige fluktuationer.

Disse anomalier har lav statistisk signifikans samlet set og kan skyldes kosmisk varians (tilfældigheder), rester af galaktisk emission, eller — mindre sandsynligt — ny fysik. Indtil videre findes der ingen entydig forklaring, og de er et aktivt forskningsområde.

Fremtidige undersøgelser

Fremtidige missioner og jordbaserede eksperimenter (f.eks. forbedrede polarisationsmålinger) vil forsøge at:

• forbedre målene på B-mode-polarisation for at afgøre, om gravitationelle bølger fra inflation findes,
• kortlægge småskalaanisotropier og sekundære effekter (f.eks. Sunyaev–Zel’dovich-effekten),
• og undersøge anomalier nærmere for at afgøre, om de er systematiske effekter eller tegn på ny kosmologi.

Konklusion: CMB er et afgørende vindue til det tidlige univers. Den næsten perfekte sortlegeme-spektrale karakter, de små anisotropier og den svage polarisation har givet os grundlaget for moderne kosmologi, samtidig med at nogle uforklarede træk ved himlen fortsat udfordrer forskerne og motiverer nye observationer.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling?

Spørgsmål: Hvordan ved vi, at CMB-lyset ankommer som det ældste signal?

Spørgsmål: Hvem opdagede CMB-stråling først?

Spørgsmål: Hvilket bevis giver dens eksistens for Big Bang-teorien?

Spørgsmål: Hvad var Planck-rumfartøjet designet til at observere?

Spørgsmål: Hvilke uventede opdagelser har forskere gjort ved at analysere data fra Planck-rumfartøjet?

Søg efter bogstav