רקע מיקרוגל קוסמי: שריד מהמפץ הגדול

Send

תמונה של קרינת הרקע הקוסמית של מיקרוגל שצולמה על ידי לוויין פלאנק של סוכנות החלל האירופית (ESA) בשנת 2013, מראה את הווריאציות הקטנות בשמים

(תמונה: © ESA / שיתוף פעולה עם Planck)

הרקע הקוסמי הקוסמי (CMB) נחשב לשארית קרינה מהמפץ הגדול, או הזמן בו החל היקום. ככל שהתיאוריה הולכת, כשנולד היקום הוא עבר אינפלציה והתפשטות מהירה. (היקום מתרחב היום, וקצב ההתרחבות נראה שונה תלוי איפה אתה מסתכל). ה- CMB מייצג את החום שנשאר מהמפץ הגדול.

אתה לא יכול לראות את ה- CMB בעין בלתי מזוינת, אך הוא נמצא בכל מקום ביקום. זה בלתי נראה עבור בני אדם מכיוון שהוא כל כך קר, רק 2.725 מעלות מעל האפס המוחלט (מינוס 459.67 מעלות פרנהייט, או מינוס 273.15 מעלות צלזיוס.) המשמעות היא שהקרינה שלו נראית ביותר בחלק המיקרוגל של הספקטרום האלקטרומגנטי.

מקורות וגילוי

היקום החל לפני 13.8 מיליארד שנה, וה- CMB מתוארך לכ -400,000 שנה לאחר המפץ הגדול. הסיבה לכך היא שבשלבים המוקדמים של היקום, כשהוא היה רק מאה מיליון בגודל שהוא כיום, הטמפרטורה שלו הייתה קיצונית: 273 מיליון מעלות למעלה אפס מוחלט, על פי נאס"א.

כל האטומים שנמצאו באותה תקופה התפרקו במהירות לחלקיקים קטנים (פרוטונים ואלקטרונים). הקרינה מ- CMB בפוטונים (חלקיקים המייצגים קוונטים של אור, או קרינה אחרת) פוזרה מהאלקטרונים. "לפיכך, פוטונים נדדו ביקום המוקדם, בדיוק כמו שאור אופטי משוטט בערפל צפוף", כתב נאס"א.

כ -380,000 שנה אחרי המפץ הגדול, היקום היה קריר מספיק כדי שיוכל להיווצר מימן. מכיוון שפוטוני CMB בקושי מושפעים מפגיעה במימן, הפוטונים נעים בקווים ישרים. קוסמולוגים מתייחסים ל"שטח של פיזור אחרון "כאשר פוטוני CMB פגעו לאחרונה בחומר; אחרי זה, היקום היה גדול מדי. אז כשאנחנו ממפים את ה- CMB, אנו מסתכלים אחורה בזמן אל 380,000 שנה אחרי המפץ הגדול, רגע אחרי שהיקום היה אטום לקרינה.

לדברי נאס"א, הקוסמולוג האמריקני ראלף אפר חזה לראשונה את ה- CMB בשנת 1948, כשעבד עם רוברט הרמן וג'ורג 'גמוב. הצוות ביצע מחקר שקשור לנוקלאוזינתזה של המפץ הגדול, או לייצור יסודות ביקום מלבד האיזוטופ הקל ביותר (סוג) של מימן. סוג זה של מימן נוצר מוקדם מאוד בתולדות היקום.

אבל ה- CMB נמצא לראשונה במקרה. בשנת 1965 יצרו שני חוקרים עם מעבדות טלפונים של בל (ארנו פנזיאס ורוברט ווילסון) מקלט רדיו, ותמוה מהרעש שהיא צברה. עד מהרה הם הבינו שהרעש הגיע באחידות מכל רחבי השמיים. במקביל, צוות מאוניברסיטת פרינסטון (בראשות רוברט דיקה) ניסה למצוא את ה- CMB. הצוות של דיקה קיבל את הניסוי של בל והבין שה- CMB נמצא.

שתי הקבוצות פרסמו במהירות מאמרים בכתב העת Astrophysical Journal בשנת 1965, כשפנזיאס ווילסון דיברו על מה שהם ראו, והצוות של דיקה הסביר מה זה אומר בהקשר של היקום. (בהמשך, פנזיאס ווילסון קיבלו שניהם את פרס נובל לפיזיקה משנת 1978).

לומד ביתר פירוט

ה- CMB מועיל למדענים מכיוון שהוא עוזר לנו ללמוד כיצד נוצר היקום המוקדם. זה בטמפרטורה אחידה עם תנודות קטנות בלבד הנראות עם טלסקופים מדויקים. "על ידי חקר תנודות אלה, קוסמולוגים יכולים ללמוד על מקור הגלקסיות והמבנים הגדולים בקנה מידה של גלקסיות והם יכולים למדוד את הפרמטרים הבסיסיים של תיאוריית המפץ הגדול", כתב נאס"א.

בעוד חלקים מ- CMB מיפו בעשורים שלאחר מכן לאחר התגליתה, המפה הראשונה מבוססת החלל הגיעה ממשימת ה- Cosmic Background Explorer (COBE) של נאס"א, שהושקה בשנת 1989 והפסיקה את פעולות המדע בשנת 1993. "תמונת תינוק" זו. היקום, כפי שמכונה זאת נאס"א, אישר את תחזיות התיאוריה של המפץ הגדול והראה גם רמזים למבנה קוסמי שלא נראו קודם. בשנת 2006 הוענק פרס נובל לפיזיקה למדעי COBE ג'ון מת'ר במרכז הטיסה בחלל גודארד של נאס"א וג'ורג 'סמוט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי.

מפה מפורטת יותר הגיעה בשנת 2003 באדיבות בדיקת המיקרוגל אניסוטרופיה ווילקינסון (WMAP), שהושקה ביוני 2001 והפסיקה לאסוף נתונים מדעיים בשנת 2010. התמונה הראשונה מצמידה את גיל היקום על 13.7 מיליארד שנה (מדידה מאז שופצה ל 13.8 מיליארד דולר) שנים) וחשפה גם הפתעה: הכוכבים העתיקים ביותר החלו לזרוח כ -200 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול, הרבה יותר מוקדם מכפי שחזה.

מדענים עקבו אחר תוצאות אלה על ידי בחינת שלבי האינפלציה המוקדמים מאוד של היקום (בטריליון השנייה אחרי היווצרות) ועל ידי מתן פרמטרים מדויקים יותר לגבי צפיפות האטום, גושמות היקום ותכונות אחרות של היקום זמן קצר לאחר היווצרותו. הם גם ראו א-סימטריה מוזרה בטמפרטורות ממוצעות בשתי מחציות השמיים, ו"נקודה קרה "שהייתה גדולה מהצפוי. צוות WMAP קיבל את פרס פריצת הדרך בפיזיקה בסיסית לשנת 2018 על עבודתם.

בשנת 2013 פורסמו נתונים מטלסקופ החלל האירופי של סוכנות החלל האירופית, המראים את הדיוק הגבוה ביותר של ה- CMB עד כה. מדענים חשפו תעלומה נוספת עם מידע זה: תנודות ב- CMB בקנה מידה זוויתי גדול לא התאימו לתחזיות. פלאנק אישר גם את מה שראתה WMAP מבחינת הא-סימטריה והנקודה הקרה. פרסום הנתונים הסופי של פלאנק בשנת 2018 (המשימה שהופעלה בין 2009 ל -2013) הראה הוכחה רבה יותר לכך שחומר אפל ואנרגיה אפלה - כוחות מסתוריים אשר ככל הנראה מאחורי האצת היקום - אכן קיימים.

מאמצי מחקר אחרים ניסו להסתכל על היבטים שונים של ה- CMB. האחת היא קביעת סוגי קיטוב הנקראים מצבי E (שהתגלו על ידי אינטרקטיקה מבוססת תואר זוויתי אינטרפרומטר בשנת 2002) ומצבי B. ניתן לייצר מצבי B משיבושים בכבידה של מצבי E (עדשה זו נראתה לראשונה על ידי טלסקופ הקוטב הדרומי בשנת 2013) וגלי כבידה (שנצפו לראשונה בשנת 2016 באמצעות מצפה הגלים הגרביטורי מתקדם לייזר, או LIGO). בשנת 2014 נאמר כי מכשיר BICEP2 מבוסס אנטארקטיקה מצא מצבי B של כבידה בכבידה, אך התבוננות נוספת (כולל עבודה מפלאנק) הראתה שהתוצאות הללו נבעו מאבק קוסמי.

החל מאמצע 2018 מדענים עדיין מחפשים את האות שהראה תקופה קצרה של התפשטות יקום מהירה זמן קצר לאחר המפץ הגדול. באותה עת היקום התחזק בקצב מהיר יותר ממהירות האור. אם זה קרה, החוקרים חושדים שיש לראות אותו ב- CMB דרך צורת קיטוב. מחקר שנערך באותה שנה הציע שזוהר מהנודיודימונדים יוצר אור קלוש אך ניתן להבחין שמפריע לתצפיות קוסמיות. כעת, לאחר שמדברים על זוהר זה, חקירות עתידיות עלולות להסירו כדי לחפש טוב יותר את הקיטוב הקלוש ב- CMB, כך אמרו מחברי המחקר באותה עת.

משאב נוסף