Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás
A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.
A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás az az elektromágneses sugárzás, mely az egész Világegyetemet kitölti. Energiaeloszlása 2,725 kelvin hőmérsékletű feketetest-sugárzásnak felel meg, melynek maximuma a mikrohullámú frekvenciatartományba esik: 160,4 GHz-nél (1,9 mm-es hullámhossznál) található.
Az Ősrobbanás után nagyjából 380 000 évvel az atommagok és elektronok összeálltak atomokká, és a fotonok (fény) számára a Világegyetem átlátszóvá vált. A mikrohullámú háttérsugárzás ebből az időből származik, de a vöröseltolódás miatt a hőmérséklete lecsökkent.
Ez a sugárzás tekinthető az Ősrobbanás legkomolyabb bizonyítékának.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] Tulajdonságai
A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás izotróp durván egy százezredrész pontossággal: az eltérés négyzetes közepe csupán 18 µK.[1] A Far-Infrared Absolute Spectrophotometer (FIRAS) eszköz a NASA Cosmic Background Explorer (COBE) nevű műholdján nagy pontossággal mérte a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás spektrumát. A FIRAS adatait összehasonlították egy megfelelő hőmérsékletű feketetest-sugárzással, és nem találtak különbséget a spektrumukban. A lehetséges eltérés a feketetest-spektrumtól a 0,5 és 5 mm közötti hullámhossztartományban kevesebb mint a maximum 0,005%-a.[2] Ezzel ez a spektrum a természet legpontosabban mért feketetest-spektrumává vált.
A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás az Ősrobbanáselmélet jóslata. Az elméletben az korai világegyetem fotonok, elektronok és barionok forró plazmájából épült fel. A fotonok állandóan kölcsönhatottak a plazmával Thomson-szórással. Ahogy a világegyetem tágult, az adiabatikus tágulás során lehetővé vált, hogy az elektronok protonokhoz kapcsolódva hidrogénatomokat hozzanak létre. Ez nagyjából 3000 K hőmérsékleten történt, amikor a világegyetem nagyjából 380000 éves volt (z=1088). Ezután a fotonok már nem szóródtak a semlegessé vált atomokon, és szabadon kezdtek el utazni a térben. Ezt folyamatot rekombinációnak vagy lecsatolódásnak hívják, arra utalva, hogy a elektronok az atommagokkal kombinálódnak és a lecsatolódik egymásról az anyag és a sugárzás.
A foton tovább hűlt azóta és jelenleg érte el a 2,725 K értéket, és a hőmérséklete tovább fog hűlni, amíg a világegyetem tágul. Ennek megfelelően az égen mért sugárzás, amelyet jelenleg mérünk egy gömbfelületről indult hozzánk, ahol a fotonok 13,7 milliárd évvel ezelőtt lecsatolódtak az anyaggal való kölcsönhatásról a korai világegyetemben, és csak most érték el a földi megfigyelőket. Az Ősrobbanás elmélete szerint a teljes megfigyelhető világegyetemet kitölti a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás, és ez adja a világegyetem sugárzási energiájának zömét, ebből származik nagyjából a világegyetem teljes sűrűségének 5·10−5-ed része.[3]
Az Ősrobbanáselmélet két legnagyobb sikere a majdnem tökéletes feketetest-sugárzás megjóslása és háttérsugárzás anizotrópiájának részletes megjóslása. A jelenlegi tudományos műhold, a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe pontosan mérte az anizotrópiát az egész égbolton 0,2 fokos skálán.[4] Ezt felhasználták az Ősrobbanásra vonatkozó standard Lambda-CDM modell paramétereinek becslésére. Néhány tulajdonságot, mint a világegyetem alakja (sík vagy görbült-e) közvetlenül a háttérsugárzásból megállapíthatóak voltak, míg másokra, mint például a Hubble-állandóra, nem adott önmagában pontos adatot, csupán más mérésekkel összevetve.[5]
[szerkesztés] Története
A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzást George Gamow, Ralph Alpher, és Robert Hermann jósolta meg 1948-ban.
Gamow és Alpher 1948-as eredménye nem talált nagy visszhangra, de Robert Dicke és Jakov Zeldovics a 60-as évek elején újra felfedezte. Az első publikált felismerés, amelyben a háttérsugárzás mint megfigyelhető jelenség szerepelt két szovjet asztrofizikus – A. G. Doroskevics és Igor Novikov – 1964-os cikkében található.[6] 1964-ben David Todd Wilkinson és Peter Roll, Dicke munkatársai a Princeton Egyetemen, egy Dicke-radiometer megalkotásába kezdtek, hogy megmérjék a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzást[7]. 1965-ben Arno Penziasés Robert Woodrow Wilson a Bell Telephone Laboratories Crawford Hill-i telephelyénegy Dicke-radiométert épített, melyet rádiócsillagászati és műholdkommunikációs célokra szántak. Műszerük 3,5 K-es antennahőmérséklet-többlettel rendelkezett, amiről nem tudtak számot adni. Miután telefonhívást kapott Crawford Hillről, Dicke ezt mondta: „Fiúk, megelőztek minket.” ("Boys, we've been scooped.")[8] A princetoni és Crawford Hilli csoportok találkozóján megállapították, hogy az antennahőmérséklet valóban a háttérsugárzás miatt van. Penzias és Wilson 1978-ban a felfedezésükért fizikai Nobel-díjat kaptak.
A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás eredete a 1960-as években vitatott volt. Az állandó állapot (steady state) elméletének néhány támogatója szerint a háttérsugárzás távoli galaxisok által szórt csillagfényből származik. De a 1970-es évekre kialakult az egységes álláspont, hogy a mikrohullámú háttrésugárzás az Ősrobbanás maradványa.
Harrison, Peebles, Yu and Zeldovics megállapították, hogy a korai világegyetemnek inhomogenitásokat kell tartalmaznia 10−4 vagy 10−5 nagységrendben.[9] Később Rasid Szunyajev kiszámította, milyennek kell látszania ennie ennek az inhomogenitásnak.[10] Egyre szigorúbb korlátokat sikerült megfigyelésekkel elérni az anizotrópia felső határára, de az anizotrópiát csak a COBE műhold Differential Microwave Radiometer nevű műszere mutatta ki.[11]
A COBE eredményei hatására több földi és léggömbkísérletet hoztak létre, hogy a háttérsugárzás anizotrópiáját kisebb skálán megmérjék a következő évtizedben. Ezeknek a kísérleteknek az elsődleges célja az volt, hogy megmérjék az első akusztikus csúcs skáláját, amelyhez a COBE-nak nem volt elegendő a felbontása. Az anizotrópia első csúcsát a Toco kísérlet észlelte, majd a BOOMERanG és a MAXIMA kísérletek megerősítették.[12]. A mérések megmutatták, hogy a világegyetem nagyjából sík, és képesek voltak megcáfolni, hogy a kozmikus húrok (cosmic strings) játszották a legfőbb szerepet a kozmikus szerkezet kialakulásában, és valószínűvé tették, hogy a kozmikus infláció a szerkezet kialakulásának helyes elmélete.
A második csúcsot több kísérlet is kimutatta, mielőtt a WMAP pontosan észlelte, a WMAP észlelte a harmadik csúcsot is. Számos kísérlet folyik jelenleg, hogy a polarizáció és a kis szögfelbontású háttérsugárzás mérését javítsák. Többek között a DASI, WMAP, BOOMERanG és a Cosmic Background Imager. A még nem működő kíséletek között van a Planck műhold, az Atacama Kozmológiai Távcső (Atacama Cosmology Telescope) és a South Pole Telescope (Déli-pólus távcső).
Mivel a víz elnyeli ezt a sugárzást (emiatt működnek a mikrohullámú sütők), nehéz földi műszerekkel pontos észleléseket végezni. Ezért egyre növekvő mértékben használnak a kutatására légköri és űrbeli eszközöket. A földfelszíni megfigyeléseket is többnyire magas helyekről végzik, mint például az Chilei Andok vagy a Déli-sarkvidék.
[szerkesztés] Kísérletek
A Cosmic Background Explorer (COBE) műhold végezte a legsikeresebb űrbeli megfigyeléseket 1989 és 1996 között. Megmutatta, hogy nagy skálán nem egyenletes, hanem anizotróp (nem dipól) a sugárzás. Az ingadozás mértéke nem nagy, csupán százedredrésznyi. A COBE eredményei után sok földfelszíni és ballonos kísérletet végeztek a kisebb skálájú anizotrópia mérésére. Az elsődleges cél az első akusztikus csúcs mérése volt, mivel a COBE nem volt képes az ehhez szükséges felbontásra. Az első csúcsot egyre növekvő pontossággal mérték meg, és 2000-re a Boomerang-kísérlet azt jelentette, hogy a legnagyobb fluktuáció az egy fokos skálán található. Más kozmológiai adatokkal összevetve ez az adat arra utalt, hogy a Világegyetem geometriája sík (görbülete nulla, a sűrűsége a kritikus sűrűség környékén található).
2001 júniusában a NASA egy másik háttérsugárzásmérő missziót indított útjának a WMAP-et, hogy az egész égbolt anizotrópiáját pontosabban megmérje. Eredményei szoros összhangban állnak a kozmikus infláció modelljéből várt eredményekkel és más kiegészítő elméletekkel. Ezek részletes leírása megtalálható a NASA honlapján.
A WMAP méréseiből a kozmológiai mennyiségekre a következő értéket kapták (Térkép a mikrohullámú háttérsugárzásról, Meteor évkönyv 2004, 195. old.):
| a Világegyetem sűrűsége ρ/ρkrit. | 1,02 ± 0,02 1-nél sík Világegyetem |
| Hubble-állandó, H |  km/s/Mpc |
| a háttérsugárzás lecsatolódása | 380000 évvel az Ősrobbanás után z=1089±1 vöröseltolódásnál |
| A Világegyetem kora | 13,7 ± 0,2 milliárd év |
A harmadik űrmissziót, a Planck-ot várhatóan 2007-ben indítják. A Planck bolométertechnológiát alkalmaz, és a WMAP-nél kisebb skálákon fog mérni. Az előző két misszióval szemben a Planck a NASA és az Európai Űrügynökség (ESA) együttműködésében készül.
[szerkesztés] Hivatkozások és jegyzetek
- ^ Ebben nincs benne a dipólus anizotrópia, amely a sajátmozgásunk miatti Doppler-effektus hatása a háttérsugárzásra. Ez összhangban van azzal, hogy a Föld nagyjából 380 km/s sebességgel mozog a [[Szűz (csillagkép)|]] irányába.
- ^ D. J. Fixen et al., "The Cosmic Microwave Background Spectrum from the full COBE FIRAS data set", Astrophysical Journal 473, 576–587 (1996).
- ^ A feketetest-spektrum energiasűrűsége
, ahol T a hőmérséklet, kB a Boltzmann-állandó, 
a redukált Planck-állandó és c a fénysebesség. Ennek arányát a világegyetem kritikus sűrűségéhez a Lambda-CDM modell paraméterei alapján becsülhetjük meg. - ^ Astrophysical Journal Supplement, 148 (2003). In particular, G. Hinshaw et al. "First-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observations: the angular power spectrum", 135–159.
- ^ D. N. Spergel et al., "First-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observations: determination of cosmological parameters", Astrophysical Journal Supplement 148, 175–194 (2003).
- ^
- ^ R. H. Dicke, "The measurement of thermal radiation at microwave frequencies", Rev. Sci. Instrum. 17, 268 (1946). A radiométereknek ezt az alapfelépítését használják több későbbi háttérsugárzás-kísérletben.
- ^ A. A. Penzias and R. W. Wilson, "A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s," Astrophysical Journal 142 (1965), 419. R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll and D. T. Wilkinson, "Cosmic Black-Body Radiation," Astrophysical Journal 142 (1965), 414. A történet a következő helyről származik: P. J. E. Peebles, Principles of physical cosmology (Princeton Univ. Pr., Princeton 1993).
- ^ E. R. Harrison, "Fluctuations at the threshold of classical cosmology," Phys. Rev. D1 (1970), 2726. P. J. E. Peebles and J. T. Yu, "Primeval adiabatic perturbation in an expanding universe," Astrophysical Journal 162 (1970), 815. Ya. B. Zel'dovich, "A hypothesis, unifying the structure and entropy of the universe," Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 160 (1972).
- ^ R. A. Sunyaev, "Fluctuations of the microwave background radiation," in Large Scale Structure of the Universe ed. M. S. Longair and J. Einasto, 393. Dordrecht: Reidel 1978. Bár ez volt az első dolgozat, amely részletezte a sűrűséginhomogenitások megfigyelhető nyomát az anizotrópiában, néhány alapmű ezt Peeblesnek és Yunak tulajdonítja.
- ^ G. F. Smoot et al. "Structure in the COBE DMR first year maps", Astrophysical Journal 396 L1–L5 (1992). C. L. Bennett et al. "Four year COBE DMR cosmic microwave background observations: maps and basic results.", Astrophysical Journal 464 L1–L4 (1996).
- ^ A. D. Miller et al., "A measurement of the angular power spectrum of the cosmic microwave background from l = 100 to 400", Astrophysical Journal 524, L1–L4 (1999). A. E. Lange et al., "Cosmological parameters from the first results of Boomerang". P. de Bernardis et al., "A flat universe from high-resolution maps of the cosmic microwave background", Nature 404, 955 (2000). S. Hanany et al. "MAXIMA-1: A measurement of the cosmic microwave background anisotropy on angular scales of 10'-5°", Astrophysical Journal 545 L5–L9 (2000).
[szerkesztés] Irodalom
- Seife, Charles (2003). Breakthrough of the Year: Illuminating the Dark Universe. Science 302 2038–2039.
- Partridge, R. B. (1995). 3K: The Cosmic Microwave Background Radiation. New York: Cambridge University Press.
[szerkesztés] Külső hivatkozások
- Kiss Csaba-Ábrahám Péter: Az infravörös égi háttér Meteor Csillagászati Évkönyv 2004, 216-233. old.
- Képek a világ kezdeteiről: feltárulnak a fiatal Univerzum titkai
- Térkép a mikrohullámú háttérsugárzásról, Meteor Csillagászati Évkönyv 2004, 195-196. old.
- Koronczay Dávid (ELTE): Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Power Point
- Trócsányi Zoltán: A 2006. évi fizikai Nobel-díj, Fizikai Szemle 2006/11. 357.o.
- A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás astro.elte.hu
