Duizenden jaren lang heeft de mens het universum overwogen en geprobeerd de ware omvang ervan te bepalen. Tegen de 20e eeuw begonnen wetenschappers te begrijpen hoe groot (en misschien zelfs oneindig) het heelal werkelijk is.
En terwijl ze verder de ruimte in keken, en dieper terug in de tijd, hebben kosmologen een aantal werkelijk verbazingwekkende dingen ontdekt. In de jaren zestig werden astronomen zich bijvoorbeeld bewust van achtergrondstraling die in alle richtingen waarneembaar was. Bekend als de kosmische microgolfachtergrond (CMB), heeft het bestaan van deze straling ons geholpen te begrijpen hoe het heelal begon.
Omschrijving:
De CMB is in wezen elektromagnetische straling die overblijft vanaf het vroegste kosmologische tijdperk dat het hele universum doordringt. Het wordt verondersteld ongeveer 380.000 jaar na de oerknal te zijn gevormd en bevat subtiele aanwijzingen over hoe de eerste sterren en sterrenstelsels zijn ontstaan. Hoewel deze straling onzichtbaar is met optische telescopen, kunnen radiotelescopen het zwakste signaal (of de gloed) detecteren dat het sterkst is in het microgolfgebied van het radiospectrum.
De CMB is zichtbaar op een afstand van 13,8 miljard lichtjaar in alle richtingen vanaf de aarde, waardoor wetenschappers hebben vastgesteld dat dit de ware leeftijd van het heelal is. Het is echter geen indicatie van de ware omvang van het heelal. Aangezien de ruimte zich sinds het vroege heelal in een staat van expansie bevindt (en sneller groeit dan de lichtsnelheid), is de CMB slechts de verste tijd terug die we kunnen zien.
Relatie met de Big Bang:
De CMB staat centraal in de oerknaltheorie en moderne kosmologische modellen (zoals het Lambda-CDM-model). Zoals de theorie luidt, werd alle materie bij de geboorte van het heelal 13,8 miljard jaar geleden gecondenseerd op een enkel punt van oneindige dichtheid en extreme hitte. Door de extreme hitte en dichtheid van materie was de toestand van het heelal zeer onstabiel. Plotseling begon dit punt uit te breiden en begon het universum zoals we het kennen.
Op dat moment was de ruimte gevuld met een uniforme gloed van witgloeiende plasmadeeltjes - die bestond uit protonen, neutronen, elektronen en fotonen (licht). Tussen 380.000 en 150 miljoen jaar na de oerknal stonden de fotonen constant in wisselwerking met vrije elektronen en konden ze geen lange afstanden afleggen. Vandaar dat dit tijdperk in de volksmond de 'donkere middeleeuwen' wordt genoemd.
Terwijl het heelal bleef uitbreiden, koelde het af tot het punt waarop elektronen konden combineren met protonen om waterstofatomen te vormen (ook bekend als de recombinatieperiode). Bij gebrek aan vrije elektronen konden de fotonen ongehinderd door het heelal bewegen en het begon te verschijnen zoals het nu is (dat wil zeggen transparant en doordrongen van licht). In de tussenliggende miljarden jaren bleef het universum enorm uitbreiden en afkoelen.
Door de expansie van de ruimte groeiden de golflengten van de fotonen (werden 'roodverschoven') tot ongeveer 1 millimeter en hun effectieve temperatuur daalde tot net boven het absolute nulpunt - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Deze fotonen vullen het Space Magazine en verschijnen als achtergrondgloed die kan worden gedetecteerd in de ver-infrarood- en radiogolflengten.
Geschiedenis van de studie:
Het bestaan van de CMB werd voor het eerst getheoretiseerd door de Oekraïens-Amerikaanse natuurkundige George Gamow, samen met zijn studenten, Ralph Alpher en Robert Herman, in 1948. Deze theorie was gebaseerd op hun studies naar de gevolgen van nucleosynthese van lichte elementen (waterstof, helium en lithium) tijdens het zeer vroege heelal. In wezen realiseerden ze zich dat het vroege universum extreem heet moest zijn om de kernen van deze elementen te synthetiseren.
Ze theoretiseerden verder dat de overgebleven straling van deze extreem hete periode het universum zou doordringen en detecteerbaar zou zijn. Vanwege de uitzetting van het heelal schatten ze dat deze achtergrondstraling een lage temperatuur van 5 K (-268 ° C; -450 ° F) zou hebben - slechts vijf graden boven het absolute nulpunt - wat overeenkomt met microgolfgolflengten. Het duurde tot 1964 voordat het eerste bewijs voor de CMB werd ontdekt.
Dit was het resultaat van de Amerikaanse astronomen Arno Penzias en Robert Wilson die de Dicke-radiometer gebruikten, die ze hadden willen gebruiken voor radioastronomie en satellietcommunicatie-experimenten. Bij het uitvoeren van hun eerste meting merkten ze echter een overmaat van 4,2 K antennetemperatuur op die ze niet konden verklaren en die alleen konden worden verklaard door de aanwezigheid van achtergrondstraling. Voor hun ontdekking kregen Penzias en Wilson in 1978 de Nobelprijs voor natuurkunde.
Aanvankelijk was de detectie van de CMB een bron van onenigheid tussen voorstanders van verschillende kosmologische theorieën. Terwijl voorstanders van de oerknaltheorie beweerden dat dit de 'relikwie-straling' was die overbleef van de oerknal, beweerden voorstanders van de steady state-theorie dat dit het gevolg was van verstrooid sterrenlicht van verre sterrenstelsels. Tegen de jaren zeventig was er echter een wetenschappelijke consensus ontstaan die de Big Bang-interpretatie begunstigde.
In de jaren tachtig stelden op de grond gebaseerde instrumenten steeds strengere grenzen aan de temperatuurverschillen van de CMB. Deze omvatten de Sovjet RELIKT-1-missie aan boord van de Prognoz 9-satelliet (die in juli 1983 werd gelanceerd) en de NASA Cosmic Background Explorer (COBE) -missie (waarvan de bevindingen in 1992 werden gepubliceerd). Voor hun werk ontving het COBE-team in 2006 de Nobelprijs voor natuurkunde.
COBE detecteerde ook de eerste akoestische piek van de CMB, akoestische oscillaties in het plasma die overeenkomt met grootschalige dichtheidsvariaties in het vroege universum, veroorzaakt door zwaartekrachtinstabiliteiten. Het volgende decennium volgden veel experimenten, die bestonden uit experimenten op de grond en op ballonnen die tot doel hadden de eerste akoestische piek nauwkeuriger te meten.
De tweede akoestische piek werd voorlopig gedetecteerd door verschillende experimenten, maar werd pas definitief gedetecteerd toen de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) in 2001 werd ingezet. Tussen 2001 en 2010, toen de missie werd beëindigd, ontdekte WMAP ook een derde piek. Sinds 2010 volgen meerdere missies de CMB om verbeterde metingen van de polarisatie en kleinschalige variaties in dichtheid te bieden.
Deze omvatten op de grond gebaseerde telescopen zoals QUEST bij DASI (QUaD) en de Zuidpooltelescoop op het Amudsen-Scott Zuidpoolstation, en de Atacama Cosmology Telescope en Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) telescoop in Chili. Ondertussen is de European Space Agency's Planck ruimtevaartuig blijft de CMB vanuit de ruimte meten.
Toekomst van de CMB:
Volgens verschillende kosmologische theorieën kan het heelal op een gegeven moment ophouden met uitzetten en beginnen met omkeren, met als hoogtepunt een ineenstorting gevolgd door een andere oerknal - aka. de Big Crunch-theorie. In een ander scenario, bekend als de Big Rip, zal de uitdijing van het heelal er uiteindelijk toe leiden dat alle materie en ruimtetijd zelf uit elkaar worden gescheurd.
Als geen van deze scenario's correct is en het universum zich steeds sneller uitbreidt, blijft de CMB roodverschuiven tot het punt waarop het niet langer detecteerbaar is. Op dit punt zal het worden ingehaald door het eerste sterrenlicht dat in het heelal wordt gecreëerd, en vervolgens door achtergrondstralingsvelden die worden geproduceerd door veronderstelde processen die in de toekomst van het heelal zullen plaatsvinden.
We hebben veel interessante artikelen geschreven over de kosmische microgolfachtergrond hier bij Space Magazine. Hier is wat is de kosmische achtergrondstraling in de magnetron?, Big Bang-theorie: evolutie van ons universum, wat was kosmische inflatie? The Quest to Understand the Earliest Universe, Landmark Discovery: New Results Provide Direct Evidence for Cosmic Inflation, en hoe snel breidt het universum zich uit? Hubble en Gaia werken samen om de meest nauwkeurige metingen tot nu toe uit te voeren.
Voor meer informatie, kijk op NASA's WMAP-missiepagina en de ESA's Planck-missiepagina.
Astronomy Cast heeft ook informatie over het onderwerp. Luister hier: Aflevering 5 - The Big Bang and Cosmic Microwave Background
Bronnen:
- ESA - Planck en de kosmische microgolfachtergrond
- De fysica van het heelal - Kosmische achtergrondstraling
- Cosmos - Kosmische Magnetron Achtergrond
- Wikipedia - Kosmische microgolfachtergrond
