Космичко позадинско зрачење

Позадинско зрачење

Космичко позадинско зрачење (енгл. Cosmic Microwave Background, скраћено CMB) је топлотно зрачење за које се претпоставља да је остатак од великог праска. Ово зрачење познато је и као микроталасно реликтно зрачење. Представља најстарију светлост у свемиру и веома је важно у космологији као потврда теорије Великог праска и као могућност за проучавање младе васионе, када је она била хомогена и изотропна. Космичко позадинско зрачење откривено је случајно 1964. године а открили су га Арно Пензијас и Роберт Вилсон. Они су на таласној дужини од 7.35 центриметара открили сигнал који није био очекиван. Сигнал је као остатак зрачења из ране васионе био термалан и изотропан. Интензитет зрачења на таласној дужини од 7.35 центиметара одговарало је зрачењу црног тела температуре 2.7 К. После тога, уследила је провера порекла овог зрачења на скоро свим таласним дужинама. Ови научници су за своје откриће 1978. године добили Нобелову награду.

The CMB is faint cosmic background radiation filling all space. It is an important source of data on the early universe because it is the oldest electromagnetic radiation in the universe, dating to the epoch of recombination. With a traditional optical telescope, the space between stars and galaxies (the background) is completely dark. However, a sufficiently sensitive radio telescope shows a faint background noise, or glow, almost isotropic, that is not associated with any star, galaxy, or other object. This glow is strongest in the microwave region of the radio spectrum. The accidental discovery of the CMB in 1965 by American radio astronomers Arno Penzias and Robert Wilson was the culmination of work initiated in the 1940s, and earned the discoverers the 1978 Nobel Prize in Physics.

CMB is landmark evidence of the Big Bang origin of the universe. When the universe was young, before the formation of stars and planets, it was denser, much hotter, and filled with an opaque fog of hydrogen plasma. As the universe expanded, both the plasma and the radiation filling it grew cooler. When the temperature had dropped enough, protons and electrons combined to form neutral hydrogen atoms. Unlike the plasma, these newly conceived atoms could not scatter the thermal radiation by Thomson scattering, and so the universe became transparent. Cosmologists refer to the time period when neutral atoms first formed as the recombination epoch, and the event shortly afterwards when photons started to travel freely through space is referred to as photon decoupling. The photons that existed at the time of photon decoupling have been propagating ever since, though growing fainter and less energetic, since the expansion of space causes their wavelength to increase over time (and wavelength is inversely proportional to energy according to Planck's relation). This is the source of the alternative term relic radiation. The surface of last scattering refers to the set of points in space at the right distance from us so that we are now receiving photons originally emitted from those points at the time of photon decoupling.

Откриће позадинског зрачења

The cosmic microwave background was first predicted in 1948 by Ralph Alpher and Robert Herman, in close relation to work performed by Alpher's PhD advisor George Gamow. Арно А. Пензиас и Роберт В. Вилсон су у лабораторијима firme Bel u Holmdelu, SAD, radili eksperimente s velikom antenom. Izradili su prijemnu antenu u obliku roga, dugu 6 metara, s vrlo osjetljivim prijemnikom, da bi razaznali slabe radiosignale s umjetnih satelita Echo 1 i Telstar. Penzias i Wilson odlučili su ispitati slabi šum koji je ometao prijem.

Prvo su pomislili kako šum potječe iz smjera Mliječnog puta. U tom bi slučaju šum trebao biti najjači kada je antena okrenuta prema Mliječnom putu, a najslabiji kad je postavljena okomito na taj smjer. Treba reći da atmosfera propušta zračenje valne duljine veće od centimetra. Pri manjim valnim duljinama zračenje molekula vode i kisika iz atmosfere postane previše veliko i ometa ono zračenje koje želimo izmjeriti. U slučaju velikih valnih duljina pri 21 cm počne smetati zračenje atoma u oblacima neutralnog vodika.

Penzias i Wilson mjerili su smetnje pri valnoj duljini 7,35 cm. Iznenađeni, ustanovili su da signal nije ovisio o smjeru. Pažljivo su otklonili sve mogućnosti nastajanja šuma u atmosferi ili u prijemniku. Signal nije mogao nastati u atmosferi jer bi u tom slučaju morao ovisiti o smjeru antene. Naime, u smjeru okomito gore morao bi biti slabiji nego pod kutom prema okomici, jer je u prvom slučaju prividna debljina atmosfere manja nego u drugome. Preostala je samo mogućnost da valovi stižu iz svih smjerova jednakomjerno te da izviru iz svemira, a ne iz naše galaktike. Penzias i Wilson su oklijevali u objavljivanju rezultata, jer im se misao činila neobičnom. Nato su za mjerenje saznale istraživačke grupe pod vodstvom R.H. Dickea iz susjednog Princetona.

U vrijeme otkrića pozadinskog zračenja, ideja o njemu je bila stara već desetljeće i pol. Godine 1948. G. Gamow i dva suradnika čak su predvidjeli da tom zračenju odgovara temperatura 5 K do koje se ono ohladilo uslijed širenja svemira. Tvrdnja Gamowa i suradnika, međutim, nije pobudila pažnju javnosti.

Nakon 1960. godine na pretpostavku o zračenju u svemiru su uz R.H. Dickea, došli još i Jakov B. Zeldovič u SSSR-u, F. Hoyle u Engleskoj i drugi. Da bi provjerili pretpostavku, godine 1964. R.H. Dicke i njegovi suradnici počeli su mjeriti pri valnoj duljini od 3,2 cm. Još prije no što su završili mjerenja, saznali su za uspjeh Penziasa i Wilsona. Godine 1978. A.A. Penzias i R.W. Wilson zajedno su dobili Nobelovu nagradu za fiziku, jer su prvi otkrili svemirsko zračenje, iako zapravo u početku nisu znali što su otkrili.

Мапирање позадинског зрачења

Сателит COBE (eng. Cosmic Background Explorer Satellite) lansiran je u studenom 1989. godine u svrhu izrade mikrovalne mape neba - mape pozadinskog zračenja. Godine 1992. objavljeni su prvi rezultati. Otkriveno je da spektar pozadinskog zračenja savršeno odgovara spektru crnog tijela pri temperaturi od 2,735 K. Također su otkrivena i teorijom predviđene vrlo male fluktuacije (odstupanje od prosjeka) temperature (1/100 000) koja ukazuju na začetke današnje strukture svemira. Ovako male fluktuacije su ujedno i dokaz kozmološkog principa - koji kaže da je svemir jednak u svim svojim smjerovima. Ove fluktuacije su poznate pod nazivom "valovi na rubu svemira" (eng. ripples at the edge of the universe). Fluktuacije temperature protumačene su kao razlike u gustoći materije u tom razdoblju, što je uzrokom današnje strukture svemira.

Детаљније мерење анизотропности позадинског зрачења направио је 2001. вештачки сателит WMAP (енгл. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Мисије

СОВЕ

Сателит СОВЕ (енгл. Cosmic Background Explorer) имао је за циљ да испита космичко позадинско зрачење. Лансиран је 18. новембра 1989. У орбити је провео 2 месеца и за то време успео да потврди постојање реликтног зрачења, као и његов термални спектар. Цела мисија трајала је 4 године.

Подаци са СОВЕ-а показали су савршени фит и поклапање са кривом црног тела које је предвиђено по теорији Великог праска

Сателит је имао три инструмента:

• DIRBE (Diffuse InfraRed Background Experiment)
• FIRAS (Far-InfraRed Absolute Spectrophotometer)
• DMR (Differential Microwave Radiometer)

Остале мисије

подаци добијени од СОВЕ, WMAP и Planck

• WMAP
• Sloan Digital Sky Survey (SDSS)
• 2dF Galaxy Redshift Survey ("2dF")
• Planck space observatory
• Illustris project
• BOOMERanG
• BICEP

Доказ за Велики прасак

СМВ показује како је изгледао универзум када је, према космологији, температура пала довољно ниско да би се створио први атом водоника. Ово се догодило 380 000 година након Великог праска када је температура у младом универзуму била око 3000 К. Та температура одговара енергији од приближно 0.25 eV.

Универзум је наставио да се шири, температура је падала и дошло је до црвеног помака СМВ фотона. Температура Tr космичког позадинског зрачења, као функција црвеног помака, z, пропорционална је температури зрачења која је измерена данас (2.725 K односно 0.235 meV)

T_r = 2.725(1 + z)

Литература

• Balbi, Amedeo (2008). The music of the big bang : the cosmic microwave background and the new cosmology. Berlin: Springer. ISBN 3540787267. 
• Evans, Rhodri (2015). The Cosmic Microwave Background: How It Changed Our Understanding of the Universe (на језику: енглески). Springer. ISBN 9783319099279. 
• Aaronson, Steve (јануар 1979). „The Light of Creation: An Interview with Arno A. Penzias and Robert W. Wilson”. Bell Laboratories Record: 12—18. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Abell, George O. (1982). Exploration of the Universe. 4th ed.. Philadelphia: Saunders College Publishing. 
• Asimov, Isaac (1982). Asimov's Biographical Encyclopedia of Science and Technology. 2nd ed. New York: Doubleday & Company, Inc. 
• Bernstein, Jeremy (1984). Three Degrees Above Zero: Bell Labs in the Information Age. New York: Charles Scribner's Sons. ISBN 978-0-684-18170-7. 
• Brush, Stephen G. (август 1992). „How Cosmology Became a Science”. Scientific American. 267 (2): 62—70. Bibcode:1992SciAm.267b..62B. doi:10.1038/scientificamerican0892-62. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Chown, Marcus (29. 9. 1988). „A cosmic relic in three degrees”. New Scientist. 119: 51—55. Bibcode:1988NewSc.119...51C. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Crawford, A.B.; Hogg, D. C.; Hunt, L. E. (јул 1961). „Project Echo: A Horn-Reflector Antenna for Space Communication”. The Bell System Technical Journal: 1095—1099. doi:10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Disney, Michael (1984). The Hidden Universe. New York: Macmillan Publishing Company. ISBN 978-0-02-531670-6. 
• Ferris, Timothy (1978). The Red Limit: The Search for the Edge of the Universe. 2nd ed. New York: Quill Press. 
• Friedman, Herbert (1975). The Amazing Universe. Washington, DC: National Geographic Society. ISBN 978-0-87044-179-0. 
• Hey, J.S. (1973). The Evolution of Radio Astronomy. New York: Neale Watson Academic Publications, Inc. ISBN 978-0-88202-027-3. 
• Jastrow, Robert (1978). God and the Astronomers. New York: W. W. Norton & Company, Inc. ISBN 978-0-393-01187-6. 
• Kirby-Smith, H.T. (1976). U.S. Observatories: A Directory and Travel Guide. New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-24451-4. 
• Learner, Richard (1981). Astronomy Through the Telescope. New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-25839-9. 

Спољашње везе

• СМВ на xstructure.inr.ac.ru
• Велики прасак и СМВ (аудио)-октобар 2006
• Визуализација СМВа-Планк мисија
• Student Friendly Intro to the CMB A pedagogic, step-by-step introduction to the cosmic microwave background power spectrum analysis suitable for those with an undergraduate physics background. More in depth than typical online sites. Less dense than cosmology texts.
• CMBR Theme on arxiv.org
• Audio: Fraser Cain and Dr. Pamela Gay – Astronomy Cast. The Big Bang and Cosmic Microwave Background – October 2006
• Visualization of the CMB data from the Planck mission
• Copeland, Ed. „CMBR: Cosmic Microwave Background Radiation”. Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.