Kosmisk bakgrunnsstråling

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen, tatt av Hubble-teleskopet

Måling av den kosmiske bakgrunnsstrålingen foretatt av COBE-satellitten. Målingene følger så nøyaktig den teoretiske kurven at denne dekker både dem og deres standardavvik.

Den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen er en isotropisk elektromagnetisk stråling, med bølgelengde i millimeterområdet, som tolkes som en rest av Big Bang og dermed viser at universet har hatt en begynnelse.

Historie

Bakgrunnsstrålingen ble oppdaget ved en tilfeldighet da Arno Penzias og Robert Wilson eksperimenterte med en antenne lovet for satellittkommunikasjon. Uansett i hvilken retning de rettet antennen mottok de støy. Etter at de hadde utelukket andre årsaker (for eksempel hekkende duer i antennen), kunne de se en sammenheng med kosmologiske teorier.

Allerede på 1940-tallet forutså man at Big Bang ville skulle etterlate en varmestråling. I universets begynnelse var strålingen i termodynamisk likevekt med materie, som da bestod av et hett, tett og ugjennomsiktlig plasma. Med universets videre ekspansjon, ble plasmaet nedkjølt, og de frie elektronene rekombinerte seg med ionene til atomer (primært hydrogen). Dermed ble universet gjennomsiktig, noe som skjer ved temperaturer sammenlignbare med stjernenes overflatetemperatur, ca. 5 000 grader. Dette lyset fra tiden innen stjernene fantes beholdt siden sitt spektrum av svart legeme-stråling, frikoblet fra interaksjon med materien. Med universets og rommets ekspansjon ble alle bølgelengder strukket ut.

Penzias og Wilsons støy motsvarte en temperatur på ca. 3 K. Siden de svarte legemers strålings dominante bølgelengde ifølge Wiens forskyvningslov er omvendt proporsjonal med temperatur, kunne man dra slutningen at universet hadde ekspandert med en faktor z på ca. 1 000, ettersom atomene ble dannet fra plasma. Dette er den største kosmologiske rødforskyvningen vi kan observere. Dermed fikk big bang-teorien sterk støtte og den konkurrerende steady state-teorien ble oppgitt.

Penzias og Wilson fikk i 1978 nobelprisen i fysikk for sin oppdagelse.

Fluktuasjoner

Bakgrunnsstrålingens svært jevne temperatur og høye isotropi var imidlertid besværlig når det gjaldt å forklare dannelsen galakser og galaksehoper. Dessuten burde strålingens spektrale fordeling ha en beskaffenhet som strålingen fra et svart legeme. NASA dro derfor i gang prodjektet COBE utrustet med spektrometeret FIRAS og en temperaturmåler med svært høy oppløsning. I 1989 fikk man resultater som bekreftet såvel små temperaturvariasjoner i den kosmiske bakgrunnsstrålingen som at dets spektrum er e meget presist svart legemes spektrum. Disse forholdene har styrket Big Bang-teoriens stilling i stor grad. De ørsmå temperaturfluktuasjonene er direkte relaterte til kvantefluktuasjoner i densiteten i det svært tidlige universet.

For disse oppdagelsene ble de ledende fysikerne George F. Smoot og John C. Mather belønnet med nobelprisen i fysikk 2006.

Forskningen mener at bakgrunnsstrålingen gjemmer flere hemmeligheter og stadig mer presise instrumenter har blitt konstruert og sendt ut. For eksempel NASA romsonden WMAP. WMAP har i et par omganger sendt ut store mengder dataresultater som har gitt ytterligere støtte for Big Bang-modellen.

Man har likevel ikke forstått alle aspekter av bakgrunnsstrålingen. Nye resultater hevder at en kjent effekt burde avstedkomme målbare skygger som ennå ikke har blitt observert, men at data fra WMAP bør kunne gi svar også på dette.

Eksterne lenker

• (en) Cosmic microwave background – kategori av bilder, video eller lyd på Commons