A FÉNY különböző tartományokban mérhető elektromágneses sugárzás a kezdetek óta létezik. Végtelen hatótávolságú, közvetítő részecskéje a foton.
Az ŰRIDŐJÁRÁS kapcsán találkozhattál itt először, később pedig az ŐSROBBANÁS kapcsán került elő az úgynevezett Cosmic Microwave Background – CMB – vel, azaz a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás – al.
A CMB
A Lepton – korszak után (ITT olvashattál róla) végbemenő annihilációs folyamat során, a korszak végén hatalmas mennyiségű új, nagy energiájú foton született. Az Univerzum ekkor azonban leginkább egy átlátszatlan, vakítóan izzó ködhöz hasonlított, ahol a fény csapdába esett. Nem volt képes információt szállítani a tér távoli pontjai között: folyton beleütközött egy szabadon száguldó, negatív töltésű elektronba, minek következtében néhány milliméter út megtétele után irányt változtatott, elnyelődött, vagy visszaverődött.
A rekombinációs korszakban az Univerzum teljesen átlátszóvá vált, megszülettek a Világegyetem legelső, elektromosan semleges atomjai (hidrogén, hélium). A fény szabaddá vált, mert már nem volt többé olyan részecske, ami folyamatosan elnyelte vagy visszaverte volna a fotonokat.
Ez a legelső, szabadon áramló fénysugárzás az Univerzum legősibb fénye, amely több mint 13,8 milliárd évvel ezelőtt keletkezett és a mai napig utazik a Kozmoszban.
Azonban a tér tágulása az évmilliárdok során annyira megnyújtotta és lehűtötte, hogy a látható tartományból átkerült a mikrohullámú tartományba. Hőmérséklete jelenleg 2,725 Kelvin, vagyis -270,45 °C. Ez az Univerzum mindenhol jelenlévő, állandó alaphőmérséklete, ami az Ősrobbanás utáni maradványsugárzás.
A CMB felfedezése
1964 – ben egy véletlennek köszönhetően fedezték fel. Arno Allan Penzias (München, 1933. április 26. – San Francisco, 2024. január 22.) és Robert Woodrow Wilson (Houston, Texas, 1936. január 10. – ) amerikai fizikusok, rádiócsillagászok az USA – ban, a Bell Laboratórium – ban.
Egy nagy méretű, kürt alakú reflexiós antennával végeztek kalibrációs és rádiócsillagászati méréseket. Az általuk kutatott, rendkívül gyenge rádiójelek detektálásához (korai távközlési műholdak) precíz mérésekre volt szükség, amihez elengedhetetlen feltétel volt az összes ismert zajforrás teljes kiküszöbölése. A kalibrációs folyamat során azonban a kutatók egy állandó, minden irányból egyformán érkező (izotróp) háttérzajt észleltek. Bármerre fordították az antennát, a finom rádiózaj éjjel, nappal, időjárástól függetlenül is változatlanul azonos intenzitással érkezett.
Penzias és Wilson módszeresen kezdte vizsgálni a lehetséges lokális zajforrásokat. Az egyik ilyen felmerülő lehetséges zaj a közeli New York város elektromágneses zajhatása volt, de ezt elég gyorsan sikerült kizárni. A Föld atmoszférájának saját sugárzása volt a másik ilyen lehetséges opció, de ezt kizárván az állandó, adott frekvencián sugárzó zaj továbbra is megmaradt. Ismert még a bizonyos galamb – incidensként emlegetett történet: hatalmas antennájuk belsejében egy galambpár fészkelt. Úgy gondolták, hogy a madarak ürüléke (a jelentésükben „fehér dielektromos anyagnak” neveztek) okozza a zavart, mivel az ürülék vezeti az áramot és megzavarhatja a jelet. Elkergetve a galambokat, kitakarítva az antennát azonban a zaj maradt, nem változott semmit.
Ekkor jöttek rá, hogy a jel nem belülről, hanem kívülről érkezik, a mélyűrből, ráadásul mindenhonnan egyszerre.
Elakadtak a magyarázattal, így a közeli Princeton Egyetemhez fordultak. Ott történetesen Robert Henry Dicke (USA, 1916. május 6 – USA, 1997. március 4) Phillip James Ewdin Peebles (Kanada, 1935. április 25 – ) és David Todd Wilkinson (USA, 1935. május 13 – USA, 2002. szeptember 5) elméleti fizikusok éppen egy olyan modellt számoltak ki, amely megjósolta: ha a korai Világegyetem forró és sűrű állapotban volt (Ősrobbanás), akkor a rekombináció korszakából vissza kellett maradnia egy mára mikrohullámúvá vöröseltolódott maradványsugárzásnak. A princetoni csoport már meg is kezdte a saját műszerük építését, hogy megkeressék ezt a jelet.
Amikor Penzias telefonon felhívta Dicket, hogy tanácsot kérjen a háttérzajjal kapcsolatban, a princetoni professzor azonnal rájött, hogy a Bell Laboratóriumban pontosan azt találták meg, amit ők elméletben kerestek. Dicke letette a kagylót, a kollégáihoz fordult, és kimondta a tudománytörténet egyik leghíresebb mondatát:
„Srácok, megelőztek minket.” (Boys, we’ve been scooped.)
Penzias és Wilson 1978 – ban Fizikai Nobel – díjat kaptak a felfedezésért. Említésre méltó érdekesség, hogy ők ketten valójában Steady State – állandó Univerzum teóriájában hittek, nem az Ősrobbanásban egészen a CMB felfedezéséig.
A CMB feltérképezése
A CMB elfedezése után a kozmológusok egy új, hatalmas elméleti kihívással szembesültek. A korai mérések szerint a sugárzás túlságosan is tökéletes és sima volt, ami ahhoz a paradoxonhoz vezetett, miszerint ha az ősi Univerzum teljesen homogén lett volna, a gravitációnak nem lett volna mibe „kapaszkodnia”. Anyagcsomósodások híján soha nem sűrűsödhettek volna össze a mai galaxisok, csillagok és a többi. Valahol lenniük kellett apró, kezdeti egyenetlenségeknek (anizotrópiák). Ezeket a minimális hőmérséklet- és sűrűségbeli eltéréseket kellett valahogy detektálni és feltérképezni.
A CMB kezdeti feltérképezése a Föld felszínéről vagy annak közvetlen közeléből indult. Azonban a Föld meleg légköre, különösen a benne lévő vízpára, maga is bocsát ki mikrohullámú sugárzást, ami elnyeli és teljesen elhalványítja a világűrből érkező kozmikus jelet.
Ezt kijátszva magaslati, rendkívül száraz vidékekre telepítettek antennákat például a Déli- sarkon és az Atacama – sivatag fennsíkjain. Később héliummal töltött stratoszférikus kutatóballonokat engedtek fel 30 – 40 kilométeres magasságba, a légkör 99% – a fölé.
Bár ezek a kísérletek bizonyították a technológia működését, globálisan, az egész égboltot lefedő CMB térképet képtelenség volt így készíteni. Ehhez el kellett hagyni a Földet.
A valódi kozmikus térképészet a célirányos műholdak indításával vette kezdetét, amelyek a légkör zavaró hatásaitól mentesen, a világűrben végezhették a méréseket.
Az első ilyen, kifejezetten a CMB vizsgálatára tervezett űrteleszkóp a COBE – Cosmic Background Explorer volt, melyet 1989. november 18 – án indítottak. 1992 – ben pedig szenzorai végre kimutatták az első, elhanyagolhatóan kicsi – mindössze a fok százezred részét elérő – hőmérséklet ingadozásokat. A térképen vörös (melegebb) és kék (hidegebb) foltokként (kép lentebb) megjelenő anizotrópiák felfedezéséért John C. Mather és George F. Smoot 2006 – ban fizikai Nobel – díjat kaptak.
A következő a WMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe volt, ami 2001. június 30 – án indult. A COBE utódja hatalmas ugrást jelentett a felbontásban. Sokkal finomabb részletességgel térképezte fel a „teljes égboltot” (all sky map). Az adatokból a tudósok képesek voltak majdnem pontosan meghatározni a Világegyetem korát (13,77 milliárd év) és geometriáját, igazolva, hogy a tér nagy léptékben sík.
A CMB feltérképezésének csúcspontját a Planck űrteleszkóp hozta el, melyet 2009. május 14 – én bocsájtottak fel. A Planck olyan frekvenciatartományban és érzékenységgel dolgozott, ami megközelítette a mérések elméleti, fizikai határait. Tűéles képet adott a háttérsugárzásról, pontosította az Univerzum korát 13,8 milliárd évre, és minden korábbinál precízebben határozta meg a kozmosz összetételét.
A CMB jelentősége
A CMB a modern asztrofizika és kozmológia legfontosabb információforrása: segíthet megérteni az Univerzum születését és fejlődését.
Bizonyítja, hogy a Világegyetem valaha egy pontból indult, ezzel megcáfolva az állandó állapot elméletét (Steady State theory), ami szerint az Univerzum időben állandó és végtelen ideje létező lehetett.
Általa betekintést kapunk a galaxisok és a mai struktúrák születésébe is.
A műholdak által készített, vörös és kék foltokkal teli színgazdag térkép valójában az Univerzum legősibb „bébiképe”. Fizikai értelemben ezek a mintázatok rendkívül komplex folyamatokat tükröznek: a rekombináció előtt az Univerzum forró, sűrű plazmából állt. Ebben a közegben két egymás ellen ható erő viaskodott, mivel a gravitáció igyekezett összehúzni az anyagot a sűrűbb régiók felé, míg a fotonok sugárzási nyomása igyekezett szétlökni azt. Ez a kozmikus kötélhúzás gigantikus sűrűséghullámokat – gyakorlatilag akusztikus oszcillációkat, azaz hanghullámokat – generált a plazmában.
Amikor a rekombináció során a fény hirtelen szabaddá vált, ez a pillanat megfagyasztotta és belenyomta a hanghullámok akkori mintázatát a CMB – be. A sűrűbb, forróbb régiók, vagyis a vörös foltok azokat a helyeket jelölik, ahol a gravitáció éppen összesűrítette a plazmát, míg a ritkább, hidegebb régiók, azaz a kék foltok azokat a területeket mutatják, ahonnan az anyag kiáramlott. Ezek a parányi sűrűsödések szolgáltak a későbbi „gravitációs csapdákként”, amelyek idővel egyre több környező anyagot vonzottak magukhoz, és végül ezekből a csomókból alakultak ki a mai galaxisok, csillagok és galaxishalmazok.
A Planck űrteleszkóp mérései alapján ezekből a megfagyott hullámmintázatokból és a hőmérsékleti fluktuációk statisztikai elemzéséből pontosan kiszámíthatóvá vált a Világegyetem jelenlegi anyagi és energiabeli összetétele, valamint pontos kora. A kapott eredmények a modern kozmológia alappilléreivé váltak. Ma már tudjuk, hogy a kozmosz 13,8 milliárd éves, a teljes tömeg – energia sűrűsége pedig a következő arányban oszlik el:
- 4,9% Normál (barionos) anyag: minden, amit közvetlenül látunk, és amiről fizikai tapasztalatunk van (gázok, csillagok, bolygók, a periódusos rendszer elemei és mi magunk)
- 26,8% Sötét anyag: olyan nem – barionos, láthatatlan anyagforma, amely kizárólag a gravitációjával hat a környezetére, és ezzel egyben tartja a galaxisokat
- 68,3% Sötét energia: jelenleg ismeretlen eredetű, negatív nyomású energiaforma, amely a gravitáció ellenében az Univerzum jelenlegi, gyorsuló ütemű tágulásáért felelős
A CMB parányi foltjainak látszólagos, szög szerinti méretéből a fizikusok pontosan meg tudták mérni a tér nagyléptékű görbületét. Ha a fénysugarak a téridőben egymással párhuzamosan, egyenesen haladnak, a Világegyetem geometriája „lapos”. Ha a fénysugarak széttartanak vagy összetartanak, a tér görbült. A CMB mérései rendkívüli pontossággal bizonyították, hogy az Univerzum geometriailag lapos (euklideszi).
Ez a kozmológiai paraméter kulcsfontosságú a jövőre nézve: azt jelenti, hogy a tér tágulása nem fog lelassulni vagy önmagába omlani, hanem a végtelenségig folytatódni fog.
Az analóg televíziók és a CMB
Az analóg televíziók lényegében érzékeny rádióvevők (voltak), amik az antennájukkal keresték a műsorszolgáltatók sugározta elektromágneses hullámokat. Amikor elvesztette az adott szolgáltató sugározta jelet vagy olyan csatornára váltottunk, ahol nem volt adás és a televízió nem tudott mit kezdeni a jellel, akkor jött a „hangyák háborúja”. Vagyis a képernyőn vibráló fekete – fehér – szürke pontok sokasága.
Ilyenkor a készülék elektronikája felerősítette a jelet, hogy valamilyen értelmezhető adatot, adatokat (adást) találjon, ám ezek lehettek kósza elektromágneses zajok is.
Ezek a zajok egyébként több forrásból is érkezhettek. Lehettek helyi zajok, mint például a villámlás, elektromos hálózati zörej, vagy akár a szomszéd porszívója. Lehetett belső zaj: a televízió elektronikájának belső hője, és lehetett maga a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás is.
A becslések szerint az analóg televíziók képernyőjén látott statikus zajok 1 % – a közvetlenül az Ősrobbanásból visszamaradt sugárzásból származott.
Hogyan láthattuk? A talált, kósza elektromágneses zajokat a televízió antennája feszültségingadozássá alakította, a televízió elektronikája felerősítette ezeket a jeleket, a képernyő elektronsugara pedig „kilőtte” őket fehér pöttyök formájában.
A fehér pöttyök közül bármelyik lehetett a 13,8 milliárd évvel ezelőtti CMB.
A mai digitális televíziók már nem keresnek folyamatosan jelet: szoftveresen felismerik, ha nincs jel. Így a modern kor emberének ezekkel az eszközökkel nincs lehetősége a kozmikus mozizásra.
Be a Nerdy Bird!
ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS
AZ ŐSROBBANÁS
