מה הרקע המיקרוגל הקוסמי?

Send

במשך אלפי שנים, האדם בוחן את היקום ומבקש לקבוע את היקפו האמיתי. עד המאה העשרים, מדענים החלו להבין עד כמה היקום באמת עצום (ואולי אפילו בלתי פוסק).

ותוך הסתכלות רחוק יותר אל החלל, ועמוק יותר אחורה בזמן, גילו הקוסמולוגים כמה דברים מדהימים באמת. לדוגמה, במהלך שנות השישים, האסטרונומים התוודעו לקרינת רקע במיקרוגל שניתן היה לזהות לכל עבר. ידוע כרקע המיקרוגל הקוסמי (CMB), קיומה של קרינה זו סייע ליידע את הבנתנו כיצד החל היקום.

תיאור:

ה- CMB הוא למעשה קרינה אלקטרומגנטית שנשארה מהתקופה הקוסמולוגית הקדומה ביותר המחלחלת ליקום כולו. על פי ההערכה, הוא נוצר כ -380,000 שנה לאחר המפץ הגדול והוא מכיל אינדיקציות עדינות כיצד נוצרו הכוכבים והגלקסיות הראשונות. בעוד שקרינה זו אינה נראית באמצעות טלסקופים אופטיים, טלסקופים רדיו מסוגלים לזהות את האות הקלוש (או הזוהר) החזק ביותר באזור המיקרוגל של ספקטרום הרדיו.

ה- CMB נראה לעין במרחק של 13.8 מיליארד שנות אור לכל הכיוונים מכדור הארץ, מה שמוביל את המדענים לקבוע שזהו עידן היקום האמיתי. עם זאת, זה לא אינדיקציה להיקפו האמיתי של היקום. בהתחשב בכך שהמרחב נמצא במצב של התפשטות מאז היקום המוקדם (והוא מתרחב מהר יותר ממהירות האור), ה- CMB הוא רק הרחוק ביותר בזמן שאנחנו מסוגלים לראות.

מערכת היחסים למפץ הגדול:

ה- CMB הוא מרכזי בתורת המפץ הגדול ובמודלים הקוסמולוגיים המודרניים (כמו מודל Lambda-CDM). ככל שהתיאוריה מתרחשת, כאשר היקום נולד לפני 13.8 מיליארד שנה, כל החומר אוחד על נקודה אחת של צפיפות אינסופית וחום קיצוני. בגלל החום והצפיפות הקיצוניים של החומר, מצב היקום היה לא יציב ביותר. לפתע נקודה זו החלה להתרחב, והיקום כידוע החל.

בשלב זה החלל התמלא בזוהר אחיד של חלקיקי פלזמה לבנים חמים - שהורכבו מפרוטונים, נויטרונים, אלקטרונים ופוטונים (אור). בין 380,000 ל -150 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול, הפוטונים היו באינטראקציה מתמדת עם אלקטרונים חופשיים ולא הצליחו לנסוע מרחקים ארוכים. ומכאן שמכונה תקופה זו בשם "ימי הביניים האפלים".

כאשר היקום המשיך להתרחב, הוא התקרר עד לנקודה בה אלקטרונים הצליחו להשתלב עם פרוטונים ליצירת אטומי מימן (המכונה תקופת הרקומבינציה). בהיעדר אלקטרונים חופשיים, הפוטונים הצליחו לנוע ללא הפרעה ביקום והוא החל להופיע כמו שהוא נראה היום (כלומר שקוף ומחלחל לאור). במשך מיליארדי השנים שחלפו, היקום המשיך להתרחב והתקרר מאוד.

בגלל התרחבות החלל, אורכי הגל של הפוטונים גדלו (הפכו ל'הסבה אדומה ') לכמילימטר בערך והטמפרטורה האפקטיבית שלהם ירדה למעט מעל לאפס מוחלט - 2.7 קלווין (-270 מעלות צלזיוס; -454 מעלות צלזיוס). פוטונים אלה ממלאים את מגזין החלל ומופיעים כזוהר רקע שניתן לזהות באורכי הגל האינפרא אדום הרחוק והרדיו.

תולדות המחקר:

את קיומו של ה- CMB תאורט לראשונה על ידי הפיזיקאי האוקראיני ג'ורג 'גמוב, יחד עם תלמידיו, ראלף אלפר ורוברט הרמן, בשנת 1948. תיאוריה זו התבססה על מחקריהם על ההשלכות של נוקלאוזינתזה של יסודות קלים (מימן, הליום ו- ליתיום) במהלך היקום המוקדם מאוד. בעיקרו של דבר, הם הבינו שכדי לסנתז את גרעיני היסודות הללו, היקום המוקדם צריך להיות חם במיוחד.

הם תיאורו עוד כי קרינת השאריות מהתקופה החמה ביותר הזו תחלחל ליקום וניתן יהיה להבחין בה. בשל התפשטות היקום, העריכו כי קרינת רקע זו תהיה בטמפרטורה נמוכה של 5 K (-268 מעלות צלזיוס; -450 מעלות צלזיוס) - רק חמש מעלות מעל אפס מוחלט - שתואם את אורכי הגל של המיקרוגל. רק בשנת 1964 התגלו העדויות הראשונות ל- CMB.

זו הייתה תוצאה של האסטרונומים האמריקנים ארנו פנזיאס ורוברט וילסון שהשתמשו ברדיומטר דיקה, בו התכוונו להשתמש לצורך ניסויי אסטרונומיה ברדיו וניסויי תקשורת לווייניים. עם זאת, כאשר ביצעו את המדידה הראשונה שלהם, הם הבחינו בעודף בטמפרטורת האנטנה של 4.2K שהם לא יכלו להסביר וניתן היה להסביר רק על ידי נוכחות קרינת רקע. על תגליתם, זכו פנציאס ווילסון בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1978.

בתחילה, גילוי ה- CMB היווה מקור למחלוקת בין תומכי תיאוריות קוסמולוגיות שונות. בעוד שחסידי תאוריית המפץ הגדול טענו שמדובר ב"קרינת השריד "שנשארה מהמפץ הגדול, תומכי תאוריית הסטיידי סטייט טענו שזה תוצאה של אור כוכבים מפוזר מגלקסיות רחוקות. עם זאת, בשנות השבעים התגלה קונצנזוס מדעי שהעדיף את פרשנות המפץ הגדול.

במהלך שנות השמונים, מכשירים מבוססי קרקע הציבו מגבלות מחמירות יותר ויותר על הפרשי הטמפרטורה של ה- CMB. אלה כללו את המשימה הסובייטית RELIKT-1 על סיפון הלוויין פרוגנוז 9 (שהושק ביולי 1983) ואת משימת נאס"א (COBE) של נאס"א (הממצאים פורסמו בשנת 1992). על עבודתם, צוות ה- COBE קיבל את פרס נובל לפיזיקה בשנת 2006.

COBE זיהה גם את השיא האקוסטי הראשון של ה- CMB, תנודות אקוסטיות בפלזמה, התואמות וריאציות צפיפות בקנה מידה גדול ביקום המוקדם שנוצר על ידי יציבות כבידה. ניסויים רבים יצאו במהלך העשור הבא, שכללו ניסויים קרקעיים ובלוניים, שמטרתם לספק מדידות מדויקות יותר של השיא האקוסטי הראשון.

הפסגה האקוסטית השנייה התגלתה בהיסוס על ידי מספר ניסויים, אך לא אותרה באופן סופי עד לפרוץ בדיקת המיקרוגל אניסוטרופיה של ווילקינסון (WMAP) בשנת 2001. בין 2001 ל -2010, עם סיום המשימה, WMAP גם גילה שיא שלישי. מאז 2010, משימות מרובות עוקבות אחר ה- CMB בכדי לספק מדידות משופרות של הקיטוב ושונות בקנה מידה קטן בצפיפות.

אלה כוללים טלסקופים מבוססי קרקע כמו שאל ב- DASI (QUaD) וטלסקופ הקוטב הדרומי בתחנת הקוטב הדרומית אמודסן-סקוט, וטלסקופ אטקמה קוסמולוגיה ו- Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) בצ'ילה. בינתיים, סוכנות החלל האירופית פלאנק החללית ממשיכה למדוד את ה- CMB מהחלל.

עתיד ה- CMB:

על פי תיאוריות קוסמולוגיות שונות, היקום עשוי בשלב מסוים להפסיק להתרחב ולהתחיל להתהפך, והגיע לשיאו בקריסה ואחריה המפץ הגדול נוסף - aka. תיאוריית קראנץ 'הגדול. בתרחיש אחר, המכונה ה- Big Rip, התפשטות היקום תוביל בסופו של דבר לכל החומר וזמן החלל עצמו להתפרק.

אם אף אחד מהתרחישים הללו אינם נכונים, והיקום המשיך להתרחב בקצב מואץ, ה- CMB ימשיך להסיט מחדש עד לנקודה בה הוא כבר לא ניתן לגילוי. בשלב זה היא תשתלט על ידי אור הכוכבים הראשון שנוצר ביקום, ואז על ידי שדות קרינת רקע המיוצרות על ידי תהליכים שהניחו כי יתקיימו בעתיד היקום.

כתבנו מאמרים רבים ומעניינים על רקע המיקרוגל הקוסמי כאן במגזין החלל. הנה מהי קרינת הרקע הקוסמית של מיקרוגל?, תיאוריית המפץ הגדול: התפתחות היקום שלנו, מה הייתה אינפלציה קוסמית? המסע להבנת היקום הקדום ביותר, גילוי דרך ציון דרך: תוצאות חדשות מספקות הוכחות ישירות לאינפלציה קוסמית, וכמה מהיר מתרחבת היקום? האבל וגאיה משתלבים בכדי לבצע את המדידות המדויקות ביותר עד כה.

לקבלת מידע נוסף, עיין בדף המשימה WMAP של NASA ובדף המשימה Planck של ESA.

באסטרונומיה קאסט יש גם מידע בנושא. האזינו כאן: פרק 5 - המפץ הגדול ורקע מיקרוגל קוסמי

מקורות: