Source: http://www.astro.ubc.ca/people/scott/cmb_intro.html

Космологија је проучавање почетка и еволуције универзума.

Велики прасак

Сада је општа сагласност међу оба астронома и физичара подједнако да је Универзум настао пре неких 10 до 20 милијарди година у Левиатхана експлозији назван је “Велики прасак”. Тачна природа почетног догађаја је и даље разлог за много нагађања, а то је фер рећи да знамо мало или ништа о првом тренутку стварања. Ипак знамо да је универзум некада невероватно топлији и гушћа него што је данас. Проширење и хлађење након овог катаклизме Великог праска, резултирала у производњи свих физичких садржаја Универзума који видимо данас. Наиме: светло у облику “фотона”; материја у облику “лептона” (електрони, позитрона, муони) и “бариони” (протони, антипротоне, неутрони, антинеутрони); езотеричке честице као што су “неутрина” и можда неких егзотичних “тамном материјом” честица.

Концепт Великог праска није одмах очигледно астрофизичара, већ израсла из стални акумулације  доказа прикупљених од теоретски и посматрања истраживања током читавог 20. века. Широк спектар теорија покушавају да објасне порекло Универзума су на крају дискредитован и замењена хипотезом Биг Банг заснованог на следећих критичних разматрања:

• тренутни проширење, или  Хабл  ток, Универзума.
• посматрани хелијума и деутеријума  абунданцес .
• космичког позадинска радијација .
• верзије космолошког решења Ајнштајнове једначине.
• споразум између различитих независних проценама  старости  Универзума.

 

Космички Микроталасна зрачења

Можда највише коначан (а свакако међу највише пажљиво прегледао) доказ за Великог праска је постојање изотропној зрачења купатилу који прожима цео Универзум познат као ” космичку микроталасну позадину“(АЛП). Реч “изотропан” значи исто у свим правцима; степен анизотропију ЦМБ је око један део у хиљаду. Године 1965., два млада радио астронома Арно Пензиас и Роберт Вилсон, готово случајно открио ЦМБ користећи мали, добро калибрисани хорн антене. Убрзо утврђено да је зрачење било дифузна, проистекла унифромли из свих праваца на небу, а има температуру од око 2,7 Келвина (тј 2,7 степени изнад апсолутне нуле). У почетку, они нису могли наћи задовољавајуће објашњење за своје опсервације, и размотрили могућност да њихов сигнал може да буде због неког неодређеног систематском буке. Они су чак сматрали могућност да је због “беле диелектрик супстанци” (тј голубова измет) у свом рог!

Међутим, убрзо је дошао у њихову пажњу кроз Роберт Дицке и Јим Пееблес оф Принцетон да је то позадина зрачење је у ствари био предвидео година раније Георге Гамов као реликт еволуције раног Универзума. Ова позадина микроталаса је у ствари хлади остатак од првобитне ватрене лопте – ехо Великог праска.

 

Ако је свемир је некада веома топла и густа, фотони и бариони би формирали плазму, односно гаса јонизованог материје спрегнутог зрачењу сталним расипања фотона офф јона и електрона. Како се универзум проширио и хлади је дошао до тачке када је зрачење (фотони) одвојена од материје – то се догодило око неколико стотина хиљада година после Великог праска. Тај зрачења охлађена и сада на 2,7 Келвина. Чињеница да је спектар (види слику ) од зрачења је скоро тачно да се од “црног тела” (а физичари начин описивања савршен радијатор) имплицира да није могао имати своје порекло било којим прозаичних средствима. Ово је довело до смрти  стабилног теорије државе на пример. У ствари ЦМБ спектар је црно тело тачности боље од 1% током више од фактора 1000 у таласне дужине. Ово је много прецизније црно тело од било можемо направити у лабораторији!

До раних 1970-тих је постало јасно да је ЦМБ небо хоттер у једном правцу и хладњака у супротном смеру, са разликом температуре чему неколико МК (или око 0,1% од укупног температуре). Образац ове температуре варијације на небу је познат као “дипол”, и управо оно што се очекује да се крећемо кроз позадинског зрачења при великим брзинама у правцу топле дела. Закључак је да је цела наша локална група галаксија креће у одређеном правцу на око 600 км / с. У правцу смо померања таласне дужине зрачења се згужване (плаво-схифт), чинећи небо појави топлије тамо, док у супротном смеру таласне дужине су опружени (Редсхифт), чинећи небо појави хладније тамо. Када се то дипол образац, због нашег кретања, је уклоњен, ЦМБ небо појави невероватно изотропан. Даља истраживања, укључујући и новија од стране ЦОБЕ  сателит (нпр Смоот ет. Ал.), Потврдио је виртуелни исотропи на ЦМБ на боље него једном делу у десет хиљада.

Мапу неба у микроталасним фреквенцијама, што показује да ЦМБ је скоро потпуно исти у свим правцима.

Имајући у виду овај ниво исотропи, заједно са прецизним црног тела спектра, сваки покушај да се тумачи порекло ЦМБ и због представе астропхисицал појава (тј звезде, прашине, радио галаксије, итд) такође није уверљив. Стога, једино задовољавајуће објашњење за постојање ЦМБ лежи у физици раном Универзуму.

Космолошки мрак године

Старост универзума је око 10 до 20 милијарди година. Рано Универзум је тако вруће и густа да је било услова унутар акцелератора честица или нуклеарног реактора. Како се Универзум проширена је охлађена, тако да је просечна енергија конститутивних честица опада у току времена. Све високе енергетске честице и нуклеарне физике је био у првих 3 минута (види књигу под тим именом, написао Стевен Веинберг 1977. године). До тада све главне састојака Универзума је формирана са елементима лаке и радијације.

Сматра се да је мало напомену се десило у наредних 300.000 година. Овај период је понекад називају “мрачног доба” из свемира. Један од начина да се научи о физичким процесима који би могли су се догодили на овим временима је потрага за мања одступања од црног тела у спектру ЦМБ. Ињекција енергије, путем, на пример распадања егзотичне честице, могу искривити спектар мало даље од карактеристичног облика црног. До сада су пронађени такви поремећаји, тако да немамо разлога да верујемо да је у овом тренутку нешто посебно узбудљиво догодило.

Оно што је важно што се десило на око 300.000 година након Великог праска је да је универзум постао довољно охлади атоми да постану неутралан. Пре тог времена све протона и електрона постојала као слободне јоне кретали у плазми. Сваки пут када протон отео електрон да би се заппед од фотона са довољно високе енергије да их одвојено поново рип. Тек после око неколико стотина хиљада година била је просечна температура довољно ниска да би протони задрже своје електрона формирати неутралне атоме водоника. Овај период се назива епохе “рекомбинација” (у принципу, када атоми постану неутрална након јонизујућег говоримо о њима комбинујући – овде, у ствари, јони и електрони се комбинује по први пут, тако да би можда могло назвати “комбинација “!).

Када је Универзум јонизовани, ствар је константно у интеракцији са зрачењем, односно фотони су непрестано расути по јона и електрона. Осврћући се на ЦМБ видимо површину “ласт расејања”, када последњи фотони значајно интеракцији са овим питањем. У ранијим временима је универзум је непрозиран, тако да не видимо даље од епохе рекомбинације. Између последње расејања и данас је свемир скоро потпуно транспарентан. Дакле, када погледамо ЦМБ што видимо, у сваком правцу, од када је зрачење последњи разбацане. То значи да се ефикасно видимо на време до неколико стотина хиљада година након Великог праска.

Након што је Универзум комбинују, звезде, галаксије и јата галаксија је почела да се формира. Знамо мало детаља о овом процесу, углавном зато што је веома сложен физички процес. Један од највећих неизвесности је разумевање “семе” од којих су галаксије и друге структуре су порасли. Све што видимо са оптичким телескопима (или телескопа у било ком другом опсегу таласних дужина) нам говори о предметима који су постојали у последњих 10 милијарди година. Постаје све теже да се испита услове у Универзуму у ранијим временима.

Детаљне посматрања ЦМБ дају управо ону врсту информација потребних за напад на већину главних космолоске загонетке нашег времена. Тражећи мале таласа у температури микроталасне неба можемо научити о флуктуације семена какве су постојале 300.000 година након Великог праска, и много пре него што су галаксије почело да се формира. Такође можемо научити шта је Универзум у целини је као тада: да ли је отворен или затворен; шта је доминантан облик тамне материје је; и како је Универзум се шири од тада. Кроз пажљиво испитивање космичку микроталасну позадину можемо испитати космолошке мрак године.

Температура Флуктуација

Док ЦМБ је предвиђено да буде веома глатко, недостатак могућности не може бити савршен. На неком нивоу једна очекује да неправилности или анисотропиес у температуре зрачења.

Ове температурне промене су отисци врло малих неправилности које кроз време су одрасли да постане галаксије и јата галаксија које видимо данас.

Више

За више детаља погледајте остале странице овде, укључујући  Често  странице, посебно листу  одговора на питања која сам примио е-маилом.