Kosmičko pozadinsko zračenje

Pozadinsko zračenje

Kosmičko pozadinsko zračenje (engl. Cosmic Microwave Background, skraćeno CMB) je toplotno zračenje za koje se pretpostavlja da je ostatak od velikog praska. Ovo zračenje poznato je i kao mikrotalasno reliktno zračenje. Predstavlja najstariju svetlost u svemiru i veoma je važno u kosmologiji kao potvrda teorije Velikog praska i kao mogućnost za proučavanje mlade vasione, kada je ona bila homogena i izotropna. Kosmičko pozadinsko zračenje otkriveno je slučajno 1964. godine a otkrili su ga Arno Penzijas i Robert Vilson. Oni su na talasnoj dužini od 7.35 centrimetara otkrili signal koji nije bio očekivan. Signal je kao ostatak zračenja iz rane vasione bio termalan i izotropan. Intenzitet zračenja na talasnoj dužini od 7.35 centimetara odgovaralo je zračenju crnog tela temperature 2.7 K. Posle toga, usledila je provera porekla ovog zračenja na skoro svim talasnim dužinama. Ovi naučnici su za svoje otkriće 1978. godine dobili Nobelovu nagradu.

CMB je slabo kosmičko pozadinsko zračenje koje ispunjava sav prostor. Ono je važan je izvor podataka o ranom univerzumu, jer je najstarije elektromagnetsko zračenje u univerzumu, koje datira iz epohe rekombinacije. Sa tradicionalnim optičkim teleskopom, prostor između zvezda i galaksija (pozadina) je potpuno mračan. Međutim, dovoljno osetljiv radio teleskop pokazuje slabu pozadinsku buku ili sjaj, gotovo izotropan, koji nije povezan ni sa jednom zvezdom, galaksijom ili drugim objektom. Ovaj sjaj je najjači u mikrotalasnoj oblasti radio spektra. Slučajno otkriće ovog zračenja 1965. godine od strane američkih radioastronoma Arno Penzijasa i Roberta Vilsona predstavljalo je vrhunac rada pokrenutog 1940-ih, a otkrivači su nagrađeni Nobelovom nagradom za fiziku 1978. godine.

CMB je vodeći dokaz o poreklu svemira iz Velikog praska. Kada je svemir bio mlad, pre formiranja zvezda i planeta, bio je gustiji, mnogo vreliji i ispunjen neprozirnom maglom vodonične plazme. Kako se svemir širio, plazma i radijacija koji su ga ispunjavali su postajali su hladniji. Kada je temperatura dovoljno pala, protoni i elektroni su se iskombinovali da bi stvorili neutralne atome vodonika. Za razliku od plazme, ovi novonastali atomi nisu mogli raspršiti toplotno zračenje Tomsonovim rasejavanjem, te je tako univerzum postao proziran. Kosmolozi nazivaju vremenski period kada su neutralni atomi prvi put nastali epohom rekombinacije, a događaj ubrzo nakon što su fotoni počeli slobodno da putuju svemirom naziva se razdvajanje fotona. Fotoni koji su postojali u vreme razdvajanja fotona se od tada šire, mada postaju sve slabiji i manje energični, jer širenje svemira dovodi do toga da se njihova talasna dužina vremenom povećava (a talasna dužina je obrnuto proporcionalna energiji prema Plankkovom odnosu). Ovo je izvor alternativnog izraza reliktno zračenje. Površina poslednjeg rasejanja odnosi se na skup tačaka u prostoru na datoj razdaljini od nas, tako da sada primamo fotone prvobitno emitovane iz tih tačaka u vreme razdvajanja fotona.

Otkriće pozadinskog zračenja

Kosmičku mikrotalasnu pozadinu prvi put su predvideli 1948. godine Ralf Alfer i Robert Herman, u bliskoj vezi sa radom koji je obavljao Alferov savetnik tokom doktorskih studija, Džeordž Gamov. Arno A. Penzijas i Robert V. Vilson su u laboratorijima firme Bel u Holmdelu, SAD, vršili su eksperimente s velikom antenom. Oni su izradili prijemnu antenu u obliku roga, dugu 6 metara, s vrlo osetljivim prijemnikom, da bi razaznali slabe radiosignale s veštačkih satelita Eho 1 i Telstar. Penzias i Vilson odlučili su da ispitaju slabi šum koji je ometao prijem.

Prvo su pomislili kako šum potiče iz smera Mlečnog puta. U tom bi slučaju šum trebao biti najjači kada je antena okrenuta prema Mlečnom putu, a najslabiji kad je postavljena normalno na taj smer. Treba napomenuti da atmosfera propušta zračenje talasne dužine veće od centimetra. Pri manjim talasnim dužinama zračenje molekula vode i kiseonika iz atmosfere postane previše veliko i ometa ono zračenje koje se želi izmeriti. U slučaju velikih talasnih dužina pri 21 cm počne da osmeta zračenje atoma u oblacima neutralnog vodonika.

Penzijas i Vilson merili su smetnje pri talasnoj dužini 7,35 cm. Iznenađeni, ustanovili su da signal nije zavisio od smera. Pažljivo su otklonili sve mogućnosti nastajanja šuma u atmosferi ili u prijemniku. Signal nije mogao da nastane u atmosferi, jer bi u tom slučaju morao da zavisi od smeru antene. Naime, u smeru normalno gore morao bi biti slabiji nego pod uglom prema normali, jer je u prvom slučaju prividna debljina atmosfere manja nego u drugom. Preostala je samo mogućnost da talasi stižu iz svih smerova jednakomerno te da izviru iz svemira, a ne iz naše galaksije. Penzias i Vilson su oklevali u objavljivanju rezultata, jer im se misao činila neobičnom. Nato su za merenje saznale istraživačke grupe pod vodstvom R.H. Dika iz susednog Prinstona. U vreme otkrića pozadinskog zračenja, ideja o njemu je bila stara već dedeniju i po. Godine 1948. G. Gamov i dva saradnika čak su predvideli da tom zračenju odgovara temperatura 5 K do koje se ono ohladilo usled širenja svemira. Tvrdnja Gamova i saradnika, međutim, nije pobudila pažnju javnosti.

Nakon 1960. godine na pretpostavku o zračenju u svemiru su uz R.H. Dika, došli još i Jakov B. Zeldovič u Sovjetskom Savezu, F. Hojl u Engleskoj i drugi. Da bi proverili pretpostavku, godine 1964. R.H. Dik i njegovi saradnici počeli su da mere pri talasnoj dužini od 3,2 cm. Još pre nego što su završili merenja, saznali su za uspeh Penzijasa i Vilsona. Godine 1978. A.A. Penzijas i R.V. Vilson zajedno su dobili Nobelovu nagradu za fiziku, jer su prvi otkrili svemirsko zračenje, iako zapravo u početku nisu znali što su otkrili.

Mapiranje pozadinskog zračenja

Urerđaj za merenje pozadinskog zračenja

Satelit COBE (engl. Cosmic Background Explorer Satellite) lansiran je u novembru 1989. godine u svrhu izrade mikrotalasne mape neba - mape pozadinskog zračenja. Godine 1992. objavljeni su prvi rezultati. Otkriveno je da spektar pozadinskog zračenja savršeno odgovara spektru crnog tela pri temperaturi od 2,735 K. Takođe je otkriveno i teorijom predviđene vrlo male fluktuacije (odstupanje od proseka) temperature (1/100 000) koja ukazuju na začetke današnje strukture svemira. Ovako male fluktuacije su ujedno i dokaz kosmološkog principa - koji navodi da je svemir jednak u svim svojim smerovima. Ove fluktuacije su poznate pod nazivom „talasi na rubu svemira” (eng. ripples at the edge of the universe). Fluktuacije temperature protumačene su kao razlike u gustini materije u tom razdoblju, što je uzrok današnje strukture svemira.

Detaljnije merenje anizotropnosti pozadinskog zračenja napravio je 2001. veštački satelit WMAP (engl. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Misije

SOVE

Satelit SOVE (engl. Cosmic Background Explorer) imao je za cilj da ispita kosmičko pozadinsko zračenje. Lansiran je 18. novembra 1989. U orbiti je proveo 2 meseca i za to vreme uspeo da potvrdi postojanje reliktnog zračenja, kao i njegov termalni spektar. Cela misija trajala je 4 godine.

Podaci sa SOVE-a pokazali su savršeni fit i poklapanje sa krivom crnog tela koje je predviđeno po teoriji Velikog praska

Satelit je imao tri instrumenta:

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

Ostale misije

podaci dobijeni od SOVE, WMAP i Planck

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

Dokaz za Veliki prasak

SMV pokazuje kako je izgledao univerzum kada je, prema kosmologiji, temperatura pala dovoljno nisko da bi se stvorio prvi atom vodonika. Ovo se dogodilo 380 000 godina nakon Velikog praska kada je temperatura u mladom univerzumu bila oko 3000 K. Ta temperatura odgovara energiji od približno 0.25 eV.

Univerzum je nastavio da se širi, temperatura je padala i došlo je do crvenog pomaka SMV fotona. Temperatura Tr kosmičkog pozadinskog zračenja, kao funkcija crvenog pomaka, z, proporcionalna je temperaturi zračenja koja je izmerena danas (2.725 K odnosno 0.235 meV)

T_r = 2.725(1 + z)

Literatura

• Sunyaev, R. A. (1974). „The Thermal History of the Universe and the Spectrum of Relic Radiation”. Ur.: Longair, M. S. The thermal history of the universe and the spectrum of relic radiation. Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data. IAUS. 63. Dordrecht: Springer. str. 167—173. Bibcode:1974IAUS...63..167S. ISBN 978-90-277-0457-3. doi:10.1007/978-94-010-2220-0_14. 
• 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 (na jeziku: engleski). Springer. ISBN 9783319099279. 
• Aaronson, Steve (januar 1979). „The Light of Creation: An Interview with Arno A. Penzias and Robert W. Wilson”. Bell Laboratories Record: 12—18. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• 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. (avgust 1992). „How Cosmology Became a Science”. Scientific American. 267 (2): 62—70. Bibcode:1992SciAm.267b..62B. doi:10.1038/scientificamerican0892-62. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Chown, Marcus (29. 9. 1988). „A cosmic relic in three degrees”. New Scientist. 119: 51—55. Bibcode:1988NewSc.119...51C. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Crawford, A.B.; Hogg, D. C.; Hunt, L. E. (jul 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 održavanje: Format datuma (veza)
• 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. 

Spoljašnje veze

• SMV na xstructure.inr.ac.ru
• Veliki prasak i SMV (audio)-oktobar 2006
• Vizualizacija SMVa-Plank misija
• 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.