Mikrofalowe promieniowanie tła to echo Wielkiego Wybuchu. Co można z niego wyczytać?

W tym artykule:

1. Mikrofalowe promieniowanie tła wypełnia kosmos
2. Początki Wszechświata
3. Czym był Wielki Wybuch?
4. Ekspansja Wszechświata
5. Materia i promieniowanie we wczesnych etapach istnienia Wszechświata
6. Jak powstało mikrofalowe promieniowanie tła
7. Przyszłość Wszechświata

Oko ludzkie widzi promieniowanie elektromagnetyczne w wąskim zakresie częstotliwości. Jeżeli pole elektryczne i magnetyczne zmieniają się cyklicznie 384–789 bilionów razy na sekundę (THz), nasze oko zarejestruje je jako światło o różnych barwach. Gdy popatrzymy jednak na nocne niebo, zobaczymy głównie ciemność. A więc światło emitują jedynie rzadko rozmieszczone gwiazdy, a także inne ciała niebieskie jako swoiste zwierciadła. Czy oznacza to, że między nimi nic nie ma?

Mikrofalowe promieniowanie tła wypełnia kosmos

Aby odpowiedzieć na to pytanie trzeba popatrzeć w niebo w innym zakresie częstotliwości. To czego nie umie nasze oko, mogą zrobić odpowiednie kamery i systemy komputerowe. Rysują one mapy nieba, przypisując kolory innemu zakresowi fal elektromagnetycznych. Każdy z nas może zajrzeć w kosmos w ten sposób dzięki serwisowi Europejskiej Agencji Kosmicznej dostępnemu pod adresem sky.esa.int. Obserwując gwiazdy kolejno w zakresie promieniowania gamma, promieni rentgena, nadfioletu czy podczerwieni, zobaczymy przedstawiony w trochę zmienionych barwach, ale znany nam ciemny obraz z pojedynczymi punktami.

Kiedy jednak spojrzymy na mapę promieniowania mikrofalowego, okaże się, że całe niebo świeci, zaś najjaśniej z częstością 0,2725 THz. Ponieważ każde rozgrzane ciało emituje promieniowanie o częstotliwości charakterystycznej dla swojej temperatury, możemy oszacować temperaturę Wszechświata na 2,725 stopnia powyżej zera absolutnego, czyli minus 270,425 st. C. Najciekawsze jest jednak to, że wahania tej temperatury w zależności od kierunku, w którym spojrzymy, nie przekraczają trzech dziesięciotysięcznych stopnia. Nie znamy żadnego źródła ciepła, które byłoby aż tak jednorodne!

Co jest poza Wszechświatem? Kompletna nicość albo nieskończone multiwersum

Skoro kosmos jest wszystkim co jest, było i będzie, to czy w ogóle można rozważać, co jest poza Wszechświatem? A jednak hipotezy się mnożą. Wyobraźnię twórców science-fiction najbardz...

Skąd więc wzięło się to promieniowanie? Zostało odkryte przypadkiem w 1965 roku jako wszechobecny szum w antenach firmy Bell Labs. Od tego czasu jest badane z coraz większą dokładnością przez kolejne satelity COBE, WMAP i Planck. Dziś znamy je jako mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). Okazuje się, że jego istnienie jest fundamentalne dla naszych prób zrozumienia Wszechświata. Aby jednak pojąć jego wagę musimy się cofnąć w czasie o kilka miliardów lat.

Początki Wszechświata

Prawie 4,5 miliarda lat temu powstała planeta Ziemia wraz z całym Układem Słonecznym. Było to więc niewyobrażalnie dawno. Obecne szacunki mówią, że mamy jeszcze dwa razy tyle czasu do przebycia, aby dotrzeć do początku Wszechświata. Wówczas najpewniej nastąpiło coś, co, trochę groteskowo, nazywane jest dzisiaj „Wielkim Wybuchem”.

Podstawowe dwa fundamenty, na których oparte jest dzisiejsze rozumienie budowy i ewolucji Wszechświata, to:

• ogólna teoria względności Alberta Einsteina, postulująca, że czas i przestrzeń tworzą czterowymiarową rzeczywistość, która może się wyginać i fałdować;
• zasada kosmologiczna, w myśl której nie ma żadnego wyróżnionego miejsca we Wszechświecie. Wszędzie wygląda on tak samo i wszędzie obowiązują te same prawa fizyki.

Uwzględnienie obu tych założeń i koncepcji wybuchu tworzącego cały kosmos wystawia naszą wyobraźnię na niezwykle trudne zadanie.

Czym był Wielki Wybuch?

Jeśli coś wybucha, to nasza percepcja podpowiada nam, że musi być centrum tego wybuchu. Jakiś granat, bomba czy choćby młotek powodujący rozchodzenie się dźwięku. Nasze rozumienie oparte na doświadczeniu podpowiada, że wybuch musi się rozchodzić w jakiejś przestrzeni i w jakimś czasie powiększać swój zasięg rażenia. Tymczasem Wielki Wybuch wypełnił całą przestrzeń – nie ma nic poza nią – i cały czas – nie ma nic przed nim. Jak to możliwe? Jedyną odpowiedź na to daje ogólna teoria względności. Ale nawet wówczas aby cokolwiek zrozumieć musimy zredukować nasz świat o jeden wymiar.

Wyobraźmy sobie więc, że żyjemy w dwuwymiarowym świecie na powierzchni balonu. Załóżmy dodatkowo, że balon dmuchany jest w jakiś sposób od środka (nie ma otworu). Może rozciągać się w nieskończoność oraz że na początku nadmuchiwania był znikomych rozmiarów. Ten początek to właśnie Wielki Wybuch.

Wszechświat czeka „wielkie zmiażdżenie”? Nowa mapa kosmosu 3D prowadzi do rewolucyjnych wniosków

Naukowcy opracowali nową mapę Wszechświata, na której jest aż 6 milionów galaktyk. Wnioski, jakie z niej płyną, są zaskakujące. Siła, z jaką na kosmos wpływa ciemna energia, może nie ...

Od tego momentu objętość Wszechświata, tak jak powierzchnia balonu stale się powiększa. Podobnie jak na dwuwymiarowym balonie, także w trójwymiarowym Wszechświecie nie ma żadnego wyróżnionego punktu. I tak jak powłoka balonu, tak również przestrzeń Wszechświata może lekko się fałdować pod wpływem sił i delikatnych niejednorodności.

Ekspansja Wszechświata

W takim układzie odległość między dwoma punktami stale się powiększa. I to tym szybciej, im dalej od siebie się znajdują. W kosmologii zjawisko to opisywane jest prawem Hubble’a. Stałą proporcjonalności można wyznaczyć, mierząc prędkość oddalania się odległych galaktyk (metodą przesunięć Dopplera) w zależności od ich odległości (wyznaczonej metodą paralaksy trygonometrycznej). Z najnowszych pomiarów wynika, że na skutek rozciągania się przestrzeni ciała niebieskie oddalają się od siebie z prędkością równą iloczynowi współczynnika 74,15 centymetra na godzinę oraz dystansu między nimi wyrażonego w latach świetlnych.

Bardzo ciekawą konsekwencją wyznaczenia tej wartości jest możliwość obliczenia, kiedy ekspansja się rozpoczęła. Jeśli bowiem wiemy, jak zmienia się w czasie prędkość między dwoma określonymi obiektami, możemy oszacować, jak dawno się ze sobą stykały. W ten sposób określono, że Wielki Wybuch nastąpił 13,8 miliarda lat temu. Obecnych lat, bo czas, podobnie jak przestrzeń, może się skracać i rozciągać w zależności od wielkości Wszechświata.

Materia i promieniowanie we wczesnych etapach istnienia Wszechświata

Sama przestrzeń i odległości między ciałami niebieskim wciąż się powiększają. Natomiast same cegiełki, z których świat jest zbudowany oraz prawa fizyki pozostają niezmienne. Elektrony i fotony w świetle obecnej wiedzy nie mają w ogóle rozmiarów. Złożone z bezwymiarowych kwarków protony i neutrony mają wielkość określoną przez tzw. oddziaływania silne o określonym zasięgu. Te cząstki elementarne tworzą atomy różnych pierwiastków, z atomów zbudowane są zaś coraz bardziej skomplikowane związki chemiczne i w końcu struktury różnych materiałów.

Tak więc gdy Wszechświat był bardzo mały, a cała jego materia ściśnięta bardzo blisko siebie, te coraz większe konstrukcje chemiczno-fizyczne nie były możliwe. W dodatku ściśnięcie Wszechświata do bardzo małych rozmiarów musiało być związane z bardzo wysoką temperaturą, w której mogą istnieć swobodne kwarki i gluony w normalnych warunkach odpowiedzialne za łączące je oddziaływanie silne. Innymi słowy, w pierwszych sekundach cały Wszechświat wypełniała niewyobrażalnie gorąca plazma kwarkowo-gluonowa.

Mniej więcej 20 minut później w przestrzeni unosiła się już większość obecnych w kosmosie jąder helu, wodoru (wraz z jego izotopem deuterem), niewielkie ilości jąder litu oraz swobodne elektrony. Wcześniej materia wygrała (przez przypadkową lekką przewagę liczebną) z antymaterią. Cząstki i antycząstki, łącząc się ze sobą, powodowały powstanie fotonów, czyli cząstek opisujących fale elektromagnetyczne.

Jak powstało mikrofalowe promieniowanie tła

Niestety, przez kolejne 380 tysięcy lat fotony były odbijane i pochłaniane przez gorącą nieprzezroczystą materię. Dopiero po połączeniu jąder z elektronami okrążającymi je na swoich orbitach tworząc stabilne atomy i wychłodzeniu Wszechświata do 2700 stopni Celsjusza fotony mogły zacząć się poruszać po znanych nam torach prostoliniowych. I tak robią do dziś. Lecz na skutek rozszerzania się Wszechświata stale „stygną”, zmniejszając swoją częstotliwość. To właśnie mikrofalowe promieniowanie tła, którym świeci całe niebo.

Badając dokładny rozkład, widmo i natężenie tego promieniowania kosmologowie wnioskują o podstawowych właściwościach wczesnego Wszechświata. W tym przede wszystkim o jego gęstości i strukturze. W szczególności można wyznaczyć masę Wszechświata oraz jaką jej część stanowiła wówczas zwykła materia (tzw. barionowa) a jaką cząstki przenoszące oddziaływania (tzw. bozony).

Przyszłość Wszechświata

Jest to tym ważniejsze, że od wartości tych zależy jeden z głównych parametrów modelu ewolucji Wszechświata. Warunkuje on, czy tempo rozszerzania się przestrzeni będzie stale rosło, czy też z czasem grawitacja odwróci kierunek tego procesu. Okazuje się, że wszystko to co widzimy – gwiazdy, planety, asteroidy, pył kosmiczny – to tylko niecałe 5 proc. masy Wszechświata. Pozostałe 95 proc. przestrzeni musi zajmować jakaś forma ciemnej materii (27 proc.) i ciemnej energii (68 proc.). Czym one są? Tego tak naprawdę nie wiadomo, a wszelkie teorie nie doczekały się dotąd żadnego potwierdzenia.

Rewolucyjna teoria: nasz kosmos pochłania „wszechświaty-niemowlaki”. Dlatego właśnie się rozszerza

Naukowcy przedstawili zaskakującą teorię wyjaśniającą rozszerzanie się Wszechświata. Według niej kosmos cały czas zderza się z innymi „wszechświatami-niemowlakami”. W wyniku zderze..

Na koniec warto podkreślić, że wyemitowane 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu mikrofalowe promieniowanie tła nie jest jedyną formą echa po wczesnej fazie rozwoju Wszechświata. Już w sekundę po powstaniu czasu i przestrzeni z plazmy oddzieliły się prawie nieoddziałujące z materią cząstki zwane neutrinami. One także zmniejszyły od tego czasu znacznie swoją energię na skutek rozszerzania się Wszechświata. A ponieważ nawet wysokoenergetyczne neutrina powstające w reakcjach jądrowych są niezwykle trudne do wykrycia, tych z początków długo jeszcze nie będziemy w stanie zbadać.

Źródło: archiwum NG.