Tak jak kiedyś Karol Darwin wykorzystał zapis kopalny do opowiedzenia historii ewolucji życia na Ziemi, tak astronomowie wykorzystali pierwsze w historii światło, które oświetliło Wszechświat, aby zrozumieć wydarzenia, które ukształtowały Wszechświat.
To pierwsze światło nazywane jest „kosmicznym mikrofalowym tłem (CMB)” i jest to promieniowanie szczątkowe, które rozprzestrzenia się mniej więcej równomiernie we wszechświecie. CMB nosi sygnatury procesów fizycznych wczesnego wszechświata i posiada unikalne cechy, które można wykorzystać do określenia składu wszechświata.
Podobnie jak badania nad ewolucją biologiczną ewoluowały od czasów Darwina, zmieniły się sposoby, w jakie kosmolodzy wykorzystywali tę kosmiczną skamielinę, a przyszłe misje mają położyć większy nacisk na CMB i to, czego może nas nauczyć o tym, jak działa wszechświat . ewoluował.
Powiązany: Czym jest kosmiczne mikrofalowe tło?
W poniedziałek 2 lipca o godz Narodowe Spotkanie Astronomiczne 2023 (NAM 2023) Odbyła się ona na Uniwersytecie w Cardiff w Wielkiej Brytanii, astrofizyk Erminia Calabrese przedstawiła ogólne informacje na temat tego, gdzie obecnie znajduje się nauka CMB i dokąd zmierza w najbliższej przyszłości.
„Powodem, dla którego to światło było naprawdę siłą napędową współczesnej kosmologii, jest fakt, że istniało ono w całej historii kosmosu” – powiedział Calabrese. „Był tam od początku, przeszedł przez wszystko, przez co przeszedł wszechświat. Podróżował przez powstawanie pierwszych gwiazd, powstawanie i ewolucję wielkoskalowej struktury wszechświata.
„Podczas tej podróży w naszym kierunku zasadniczo przyjął odciski całej tej fizyki i niesie ją ze sobą, gdy jest dzisiaj”.
Niech stanie się światło: czym jest kosmiczne mikrofalowe tło?
Gdybyś mógł cofnąć się o około 380 000 lat w historii kosmosu do punktu, w którym wszechświat był wypełniony gorącą, gęstą zupą elektronów i protonów, pierwszą rzeczą, którą zauważyłbyś, było to, jak ciemny był wszechświat.
Powodem, dla którego ta wczesna era historii wszechświata, trwająca 13,8 miliarda lat, jest dosłownym kosmicznym ciemnym wiekiem, jest to, że obfitość wolnych elektronów oznaczała, że fotony i cząsteczki światła były rozpraszane w nieskończoność, uniemożliwiając im w ten sposób podróżowanie. W tym czasie wszechświat był w zasadzie nieprzejrzysty.
„To, na co patrzymy, to pierwsze światło wyemitowane z wszechświata, składające się z fotonów wyemitowanych podczas Wielkiego Wybuchu” – wyjaśnił Calabrese. „Fotony zostały uwięzione w interakcjach ze wszystkim innym, co oznacza, że każde zjawisko cząstek, które miało miejsce w tej bardzo gorącej, gęstej fazie wszechświata, oddziaływało z tymi fotonami”.
Oznacza to, że gdy były uwięzione, fotony tworzyły zapis fizyki we wczesnym wszechświecie, ale nie mogły pozostać uwięzione i w równowadze z materią na zawsze.
Wreszcie, po przejściu gwałtownej kosmicznej inflacji w wyniku Wielkiego Wybuchu, wszechświat rozszerzył się i ochłodził na tyle, że elektrony mogły związać się z protonami i utworzyć pierwsze neutralne atomy. Nazywa się to okresem rekombinacji, mimo że elektrony i protony nie były wcześniej połączone.
Diagram przedstawiający ewolucję wszechświata na przestrzeni 13,8 miliarda lat z erą rekombinacji (Źródło zdjęcia: NASA)
Początkowo światło tworzące CMB było niewiarygodnie gorące i energetyczne, ale w miarę rozszerzania się Wszechświata ochłodziło się i straciło energię, obniżając częstotliwość tego promieniowania do mikrofalowego obszaru widma elektromagnetycznego.
Calabrese wyjaśnia, że promieniowanie KMPT ma obecnie postać pola promieniowania o temperaturze 2,7 kelwina (-455 stopni Fahrenheita lub -270,4 stopni Celsjusza).
Jak naukowcy wykorzystują kosmiczne mikrofalowe tło?
Ponieważ rekombinacja zachodziła w całym wszechświecie w tym samym czasie, promieniowanie KMPT dociera do nas jednakowo ze wszystkich kierunków. Oznacza to, że ta kosmiczna skamielina wygląda tak samo we wszystkich regionach nieba – co naukowcy określają jako antagonistyczne.
To podobieństwo, nawet przeciwnych stron Wszechświata w regionach, które obecnie się ze sobą nie stykają, jest jednym z głównych dowodów na to, że Wszechświat istniał w gorącym, gęstym stanie, a następnie przeszedł okres gwałtownej inflacji, którą obecnie nazywamy Wielką Huk. Ale w obszarach, w których pojawiają się niewielkie różnice, naukowcy znajdują przydatne kosmiczne zapisy kopalne.
W KMPT występują niewielkie odchylenia od tej jednolitości zwane anizotropią. Dzięki tym anizotropiom CMB zawiera informacje o ewolucji wszechświata.
Zmiany w małej skali promieniowania CMB reprezentują niewielkie fluktuacje intensywności we wczesnym Wszechświecie, które ostatecznie doprowadziły do powstania galaktyk i gromad galaktyk. Choć mogą być małe, bez tych różnic wielkoskalowa struktura, którą widzimy we wszechświecie dzisiaj, nie mogłaby się uformować.
Jest to największa wariancja, która ujawnia zawartość wszechświata i obfitość tych pierwiastków w historii kosmosu. Obejmuje to nie tylko widoczną „codzienną” materię złożoną z atomów, gwiazd, planet, chmur gazu kosmicznego i nas, ale także niewidzialną ciemną materię i ciemną energię, siły, które napędzają współczesność i przyspieszają rozszerzanie się wszechświata.
„W szczególności istnieją trzy sposoby, w jakie pracujemy nad badaniem CMB: możemy polecieć w kosmos i mamy trzy różne generacje satelitów, które są przeznaczone do pomiaru anizotropii KMPT” – wyjaśnił Calabrese. „Możesz pozostać na ziemi, ale spróbować wzbić się w atmosferę za pomocą balonów stratosferycznych lub zostać na ziemi, a następnie wejść w atmosferę. Wszystkie te metody mają swoje zalety i wady; żadne doświadczenie nie da ci dostępu do wszystkiego ”.
W przemówieniu Calabrese NAM 2023 badacz podkreślił potrzebę przyszłych misji badawczych CMB, które mogłyby odpowiedzieć na fundamentalne pytania, takie jak czym jest ciemna materia i jaki jest wielkoskalowy rozkład masy we wszechświecie.
Ilustracja przedstawia misje obserwacyjne LiteBIRD CMB na orbicie okołoziemskiej podczas przygotowań do obserwacji CMB. (Źródło zdjęcia: ISAS/JAXA)
Jedną z takich misji, o których wspomina Calabrese, jest misja Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) znana jako satelita Space Lite (Light), której celem jest badanie polaryzacji i inflacji w trybie B z wykrywania kosmicznego promieniowania tła (LiteBIRD).
LiteBIRD będzie obserwował całe niebo przez trzy lata z orbity i mówi JAXA Osiągnie bezprecedensową czułość, pozwalając na dokładne rozróżnienie sygnałów promieniowania CMB od sygnałów promieniowania pierwszego planu ze źródeł takich jak pył kosmiczny. Oznacza to, że LiteBIRD, którego start zaplanowano na 2028 r., może pomóc wypełnić luki w kosmicznej ewolucji, których obecne modele Wielkiego Wybuchu nie są w stanie wyjaśnić.
„Tak naprawdę nie mamy odpowiedzi na główne fundamentalne pytania, na które chcieliśmy odpowiedzieć za pomocą temperatury CMB, a teraz musimy zrobić kolejny krok i kontynuować badanie i eksploatację wszystkiego, co jest w CMB, dopóki nie będziemy w stanie na nie odpowiedzieć, – powiedział Calabrese.
