Niejednorodności promieniowania tła

Z Wikipedii

Mikrofalowe promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe) - obecne w całym Wszechświecie promieniowanie elektromagnetyczne o temperaturze 2.7K. Jego widmo wykazuje doskonałą zgodność z widmem ciała doskonale czarnego.

Odkrycie promieniowania tła zakończyło spór pomiędzy zwolennikami modelu wielkiego wybuchu i zwolennikami modelu stanu stacjonarnego. Ten drugi model nie przewidywał bowiem istnienia promieniowania reliktowego.

Promieniowanie tła cechuje się wysoce jednorodną temperaturą. Jednak teoretyczne rozważania dotyczące powstania wielkoskalowych struktur we Wszechświecie wykazały, iż powinno ono charakteryzować się niewielkimi fluktuacjami temperatury, które w małych skalach kątowych (około 1 stopień i mniej) stanowiłyby świadectwo istnienia niewielkich zagęszczeń materii we wczesnym Wszechświecie. Owe zagęszczenia materii są niezwykle istotne, gdyż to własnie z nich, w wyniku grawitacyjnej niestabilności, powstały obecnie obserwowane struktury: galaktyki, gromady galaktyk itp.

Zgodnie z teorią wielkiego wybuchu, fotony tła zostały wyemitowane w czasie jednej z krytycznych epok w dziejach ewolucji Wszechświata, około 300 tys. lat po jego powstaniu. Do tego czasu pierwotna plazma, która wypełniała całą przestrzeń, była całkowicie zjonizowana. Procesy rozpraszania fotonów na swobodnych elektronach sprawiały, iż materia pozostawała w równowadze z promieniowaniem. W wyniku ekspansji Wszechświata jego temperatura spadła do kilku tysięcy K, stwarzając w ten sposób odpowiednie warunki by elektrony i protony mogły połączyć się w pierwsze atomy - wodór neutralny. Procesom rekombinacji towarzyszy emisja fotonów, nastąpiło więc rozsprzężenie materii i promieniowania. Jest to okres, w czasie którego fotony tła po raz ostatni oddziaływały z materią. Wszechświat stał się przezroczysty dla promieniowania. Maksimum natężenia wyemitowanego wówczas promieniowania, odpowiadjące panującej wówczas temperaturze, przypadło na widzialny zakres widma elektromagnetycznego.

Promieniowanie tła zostało zaobserwowane już w połowie lat 60. Niestety atmosfera uniemożliwia precyzyjną obserwację mikrofal na tej długości fali. Aby zaobserwować niejednorodności promieniowania tła konieczne jest wyniesienie detektora w kosmos. Na początku lat 90. wystrzelono sondę COBE (Cosmic Background Explorer). Pozwoliła ona na pierwszą obserwację niejednorodności promieniowania. Maksymalna różnica temperatury promieniowania w dwóch punktach na niebie to około jedna stutysięczna kelwina. Niestety niska rozdzielczość COBE nie pozwoliła na obserwację śladów dzisiejszych struktur kosmicznych (galaktyk, gromad).

Kolejne projekty obserwacyjne, wykorzystujące balony stratosferyczne (np. MAXIMA, BOOMERANG, ARCHEOPS) potwierdziły istnienie oczekiwanych fluktuacji temperatury, niestety obejmowały one niewielkie obszary na niebie.

30 czerwca 2001 roku NASA wystrzeliła sondę WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Może ona rejestrować różnice temperatur o wartości 20 milionowych części kelwina w skalach kątowych rzędu 14 minut, dzięki czemu obraz wszechświata stał się dużo bardziej wyraźny.

Niejednorodności promieniowania pozwalają na eksperymentalne potwierdzenie prawdziwości różnych teorii kosmologii obserwacyjnej. Teoria inflacji przewiduje, że rodzący się wszechświat wygenerował silne fale grawitacyjne. Ich długość jest na tyle wielka, że nie możliwe jest laboratoryjne potwierdzenie ich istnienia. Promieniowanie tła zostało wyemitowane przez ogromną chmurę plazmy odległą od nas o 13,7 mld lat świetlnych. Jeżeli przenikały przez nią fale grawitacyjne, to pojawią się charakterystyczne niejednorodności. Gdy fale grawitacyjne okażą się dość silne, będzie to świadczyć na rzecz teorii inflacyjnego wszechświata.

Niejednorodności promieniowania tła nie odnoszą się wyłącznie do jego temperatury. Promieniowanie elektromagnetyczne oprócz natężenia i widma ma jeszcze trzeci parametr - polaryzację, który oznacza kierunek drgań pola. WMAP potrafi mierzyć tą wartość. Inflacyjne fale grawitacyjne spowodują powstanie charakterystycznych wirów w rozkładzie polaryzacji promieniowania na niebie.

Niejednorodności promieniowania dają szanse na określenie topologii wszechświata. Jeżeli wszechświat jest mniejszy od kuli o promieniu 13 mld lat świetlnych, oznacza to wystąpienie powtórzeń na obrazie promieniowania. Pojawiają się na nich charakterystyczne okręgi. Oczywiście mały wszechświat nie może posiadać granicy. Światło krąży w nim o po wielkich okręgach, dzięki krzywiźnie czasoprzestrzeni, co oznacza nakładanie się powtórzeń w obrazie.

Niektórzy uczeni sądzą, że wszechświat ma topologię hiperboliczną. Na podstawie takiego założenia można przeprowadzić symulację i uzyskać obraz promieniowania tła. Porównanie go z obrazem z WMAP daje szansę na weryfikację tej hipotezy.

Analiza danych z sondy jest w toku. Na obecnym etapie większość badaczy sądzi, że wszechświat ma topologię płaską - eulidesową. Promieniowanie tła, pochodzące z odległości 13.7 mld lat jest granicą obserwacji. Dalej nie da się zajrzeć, bo wszystko zasłania rozgrzany gaz. W płaskim wszechświecie to dalej istnieje i jest poza zasięgiem astronomii.

Zobacz też: podstawowe zagadnienia z zakresu astronomii, Astronomia, kosmologia obserwacyjna, promieniowanie tła, kształt Wszechświata