Slika kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, snimljena na planetu Europske svemirske agencije (ESA) 2013. godine, pokazuje male varijacije neba
(Slika: © ESA / Planck suradnja)
Kosmička mikrovalna pozadina (CMB) smatra se ostatkom zračenja iz Velikog praska, ili vremenom kada je svemir počeo. Kako teorija kaže, kada se svemir rodio, podvrgnut je brzoj inflaciji i širenju. (Svemir se i danas širi, a stopa širenja čini se različitom ovisno o mjestu na koje gledate). CMB predstavlja toplinu preostalu od Velikog praska.
CMB ne možete vidjeti golim okom, ali on je posvuda u svemiru. Ljudima je nevidljivo jer je tako hladno, samo 2.725 stupnjeva iznad apsolutne nule (minus 459.67 stupnjeva Farenhejta, ili minus 273.15 stupnjeva Celzija). To znači da je njegovo zračenje najvidljivije u mikrovalnom dijelu elektromagnetskog spektra.
Podrijetlo i otkriće
Svemir je započeo prije 13,8 milijardi godina, a CMB seže oko 400 000 godina nakon Velikog praska. To je zato što je u ranim fazama svemira, kada je bila jednaka stotinu milijuna današnja danas, njegova temperatura bila ekstremna: 273 milijuna stupnjeva iznad apsolutna nula, prema NASA-i.
Svi atomi prisutni u to vrijeme brzo su se razdvojili na male čestice (protone i elektrone). Zračenje iz CMB u fotonima (česticama koje predstavljaju kvant svjetlosti ili drugim zračenjem) raspršilo se van elektrona. "Tako su fotoni lutali ranim svemirom, baš kao što optička svjetlost luta kroz gustu maglu", napisala je NASA.
Otprilike 380.000 godina nakon Velikog praska, svemir je bio dovoljno hladan da je mogao formirati vodik. Budući da na fotone CMB jedva utječu udarci vodik, fotoni putuju u pravim linijama. Kozmolozi spominju "površinu zadnjeg raspršivanja" kada su CMB fotoni zadnji pogodili; nakon toga svemir je bio prevelik. Pa kad preslikavamo CMB, gledamo unatrag 380 godina nakon Velikog praska, neposredno nakon što je svemir bio neprozračan za zračenje.
Američki kozmolog Ralph Apher prvi je predvidio CMB 1948. godine, kada je radio s Robertom Hermanom i Georgeom Gamowom, prenosi NASA. Tim je istraživao nukleosintezu Velikog praska, ili proizvodnju elemenata u svemiru, osim najlakšeg izotopa (tipa) vodika. Ova vrsta vodika stvorena je vrlo rano u povijesti svemira.
No CMB je prvi pronađen slučajno. Godine 1965., dva istraživača s Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias i Robert Wilson) stvarali su radio prijemnik, i bili su zbunjeni bukom koju je podizao. Ubrzo su shvatili da je buka jednoliko stizala sa cijelog neba. Istovremeno, tim na Sveučilištu Princeton (pod vodstvom Roberta Dickea) pokušavao je pronaći CMB. Dickeov je tim pokrenuo eksperiment Bell i shvatio da je CMB pronađen.
Oba tima su brzo objavila radove u Astrofizičkom časopisu 1965. godine, u kojima su Penzias i Wilson razgovarali o onome što su vidjeli, a Dickeov tim objasnio je što to znači u kontekstu svemira. (Kasnije su i Penzias i Wilson dobili Nobelovu nagradu za fiziku 1978.).
Proučavanje detaljnije
CMB je koristan znanstvenicima jer nam pomaže da naučimo kako je nastao rani svemir. Ujednačena je temperatura s tek malim kolebanjem vidljivim preciznim teleskopima. "Proučavajući ove fluktuacije, kozmolozi mogu naučiti podrijetlo galaksija i velikih struktura galaksija te mogu izmjeriti osnovne parametre teorije Velikog praska", napisala je NASA.
Dok su dijelovi CMB preslikani u slijedećim desetljećima nakon njegovog otkrića, prva svemirska karta nastala u svemiru nastala je od NASA-ine misije Cosmic Background Explorer (COBE), koja je pokrenuta 1989., a prestala sa znanstvenim operacijama 1993. Ova "dječja slika ”Svemira, kako ga NASA naziva, potvrdila je predviđanja teorije Velikog praska i također pokazala nagovještaje o kozmičkoj strukturi koja prije nisu viđena. 2006. godine Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je znanstvenicima COBE Johnu Matheru iz NASA Goddard centra za svemirske letove i Georgeu Smootu na Kalifornijskom sveučilištu u Berkeleyu.
Detaljnija mapa prikazana je 2003. godine ljubaznošću sonde Wilkinson mikrovalna anizotropija (WMAP), koja je pokrenuta u lipnju 2001., a prestala je prikupljati znanstvene podatke 2010. Prva slika zavela je starost svemira u 13,7 milijardi godina (mjerenje je pročišćeno na 13,8 milijardi godina) i također otkrili iznenađenje: najstarije zvijezde počele su blistati oko 200 milijuna godina nakon Velikog praska, daleko ranije nego što se predviđalo.
Znanstvenici su pratili te rezultate proučavanjem vrlo ranih faza inflacije svemira (u trilijunskoj sekundi nakon formiranja) i davanjem preciznijih parametara o gustoći atoma, osipanju i drugim svojstvima svemira, ubrzo nakon što je nastao. Oni su također vidjeli neobičnu asimetriju u prosječnim temperaturama na obje nebeske hemisfere i "hladno mjesto" koje je bilo veće od očekivanog. WMAP tim je za svoj rad dobio nagradu za proboj iz 2018. godine za temeljnu fiziku.
U 2013. godini objavljeni su podaci iz svemirskog teleskopa Planck Europske svemirske agencije koji su pokazali najveću preciznost slike CMB-a dosad. Znanstvenici su otkrili još jednu misteriju s tim informacijama: fluktuacije CMB-a na velikim kutnim mjerilima nisu bile u skladu s predviđanjima. Planck je također potvrdio ono što je WMAP vidio u pogledu asimetrije i hladne točke. Planckovo posljednje objavljivanje podataka u 2018. (misija djelovala između 2009. i 2013.) pokazalo je više dokaza da tamna tvar i tamna energija - tajanstvene sile koje vjerojatno stoje iza ubrzanja svemira - izgleda da postoje.
Ostali istraživački napori pokušali su sagledati različite aspekte CMB-a. Jedan je određivanje vrsta polarizacije nazvanih E-modusi (otkriveni stupnjem kutnog interferometra sa sjedištem na Antarktiku 2002. godine) i B-modovima. B-modusi mogu se proizvesti iz gravitacijskog leća E-modova (ovo je leće prvi put vidio Teleskop Južnog pola 2013. godine) i gravitacijskih valova (koji su prvi put primijećeni 2016. korištenjem Naprednog opsega gravitacijskog vala Laser Interferometar ili LIGO). Rečeno je da je 2014. godine na antarktičkom instrumentu BICEP2 pronađen gravitacijski valni B modus, ali daljnja promatranja (uključujući rad Plancka) pokazala su da su ovi rezultati nastali zbog kozmičke prašine.
Sredinom 2018., znanstvenici još uvijek traže signal koji je pokazao kratko razdoblje brzog širenja svemira ubrzo nakon Velikog praska. U to je vrijeme svemir postajao veći brzinom većom od brzine svjetlosti. Da se to dogodilo, istraživači sumnjaju da bi to trebalo biti vidljivo u CMB-u kroz oblik polarizacije. Studija te godine sugerirala je da sjaj nanodijamanata stvara slabo, ali uočljivo svjetlo koje ometa kozmička promatranja. Sada kada se ovaj sjaj obračunava, buduća ispitivanja mogla bi ga ukloniti kako bi se bolje tražila slaba polarizacija u CMB-u, rekli su tada autori studije.
Dodatni resurs
- NASA: Testovi velikog praska: CMB
