CMB model

De kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB, CMBR), ook wel relikwiestraling genoemd, is microgolfstraling die de gehele ruimte in het waarneembare universum vult. Met een standaard optische telescoop is de ruimte tussen sterren en sterrenstelsels vrijwel volledig donker. Een voldoende gevoelige radiotelescoop detecteert echter een zwakke achtergrondgloed die vrijwel uniform is en niet geassocieerd wordt met een ster, sterrenstelsel of ander object. Deze gloed is het sterkst in het microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum. De energiedichtheid ervan overtreft die van alle fotonen die ooit door alle sterren in de geschiedenis van het universum zijn uitgezonden. De toevallige ontdekking van de CMB in 1964 door de Amerikaanse radioastronomen Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson was het hoogtepunt van werk dat in de jaren 40 was begonnen.

TERUG

De kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) is het belangrijkste experimentele bewijs voor de oerknaltheorie over het ontstaan van het heelal. In de kosmologische oerknalmodellen was het heelal in de vroegste periode gevuld met een ondoorzichtige mist van dicht, heet plasma van subatomaire deeltjes. Naarmate het heelal uitzette, koelde dit plasma af tot het punt waarop protonen en elektronen zich combineerden tot neutrale atomen, voornamelijk waterstof. In tegenstelling tot het plasma konden deze atomen geen thermische straling verstrooien door Thomson-verstrooiing, waardoor het heelal transparant werd. Deze ontkoppelingsgebeurtenis, bekend als het recombinatietijdperk, zorgde ervoor dat fotonen vrij door de ruimte konden reizen. Door de kosmologische roodverschuiving die gepaard gaat met de expansie van het heelal, zijn de fotonen echter minder energiek geworden. Het oppervlak van de laatste verstrooiing verwijst naar een schil op de juiste afstand in de ruimte, waardoor fotonen die oorspronkelijk werden uitgezonden ten tijde van de ontkoppeling, nu worden ontvangen ...

Karakterstiek patroon

De kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) is zeer glad en uniform, maar kaarten van gevoelige detectoren detecteren kleine, maar belangrijke temperatuurvariaties. Experimenten op de grond en in de ruimte, zoals COBE, WMAP en Planck, zijn gebruikt om deze temperatuurinconsistenties te meten. De anisotropie-structuur wordt beïnvloed door verschillende interacties tussen materie en fotonen tot het punt van ontkoppeling, wat resulteert in een karakteristiek patroon van kleine rimpelingen dat varieert met de hoekschaal. De verdeling van de anisotropie over de hemel heeft frequentiecomponenten die kunnen worden weergegeven door een vermogensspectrum met een reeks pieken en dalen. De piekwaarden van dit spectrum bevatten belangrijke informatie over de fysische eigenschappen van het vroege heelal: de eerste piek bepaalt de algehele kromming van het heelal, terwijl de tweede en derde piek respectievelijk de dichtheid van gewone materie en zogenaamde donkere materie in detail weergeven. Het extraheren van fijne details uit de CMB-gegevens kan een uitdaging zijn, omdat de emissie is gemodificeerd door voorgrondkenmerken zoals clusters van sterrenstelsels.

Uniformiteit

De kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) is een emissie van uniforme thermische energie van een zwart lichaam, afkomstig uit alle richtingen. De intensiteit van de CMB wordt uitgedrukt in kelvin (K), de SI-eenheid voor temperatuur. De CMB heeft een thermisch zwartlichaamspectrum bij een temperatuur van 2,72548 ± 0,00057 K. Variaties in intensiteit worden uitgedrukt als variaties in temperatuur. De temperatuur van een zwart lichaam karakteriseert op unieke wijze de intensiteit van de straling bij alle golflengten; een gemeten helderheidstemperatuur bij elke golflengte kan worden omgerekend naar een temperatuur van een zwart lichaam.

De straling is opmerkelijk uniform over de hemel, in tegenstelling tot de bijna puntvormige structuur van sterren of sterrenhopen in sterrenstelsels. De straling is isotroop tot ongeveer één op 25.000: de wortelgemiddelde kwadratische variaties bedragen iets meer dan 100 μK, na aftrek van een dipoolanisotropie van de Dopplerverschuiving van de achtergrondstraling. Dit laatste wordt veroorzaakt door de bijzondere snelheid van de Zon ten opzichte van het meebewegende kosmische ruststelsel, terwijl deze met 369,82 ± 0,11 km/s beweegt richting het sterrenbeeld Krater nabij de grens met het sterrenbeeld Leeuw. De CMB-dipool en -aberratie bij hogere multipolen zijn gemeten, consistent met galactische beweging. Ondanks de zeer kleine mate van anisotropie in de CMB kunnen veel aspecten met hoge precisie worden gemeten en dergelijke metingen zijn cruciaal voor kosmologische theorieën.

Polarisatievariatie

Naast temperatuuranisotropie zou de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB) ook een hoekafhankelijke polarisatievariatie moeten vertonen. De polarisatie in elke richting aan de hemel heeft een oriëntatie die wordt beschreven in termen van E-modus- en B-moduspolarisatie. Het E-modussignaal is een factor 10 minder sterk dan de temperatuuranisotropie; het vult de temperatuurgegevens aan omdat ze gecorreleerd zijn. Het B-modussignaal is nog zwakker, maar kan aanvullende kosmologische gegevens bevatten.

De anisotropie is gerelateerd aan de fysieke oorsprong van de polarisatie. De excitatie van een elektron door lineair gepolariseerd licht genereert gepolariseerd licht onder een hoek van 90 graden ten opzichte van de invallende richting. Als de invallende straling isotroop is, creëren verschillende invallende richtingen polarisaties die elkaar opheffen. Als de invallende straling quadrupoolanisotropie heeft, zal er residuele polarisatie zichtbaar zijn.

Frequentiespectrum

Afgezien van de temperatuur- en polarisatie-anisotropie, wordt verwacht dat het CMB-frequentiespectrum kleine afwijkingen van de zwartlichaamwet vertoont, bekend als spectrale vervormingen. Deze staan ook centraal in een actief onderzoek, met de hoop dat er binnen enkele decennia een eerste meting zal plaatsvinden, aangezien ze een schat aan informatie bevatten over het oeruniversum en de vorming van structuren in latere tijden.[11]

De CMB bevat de verreweg grootste meerderheid van de fotonen in het universum, met een factor van 400 op 1 de aantalsdichtheid van fotonen in de CMB is een miljard keer (10⁹) de aantalsdichtheid van materie in het universum. De huidige energiedichtheid van CMB-fotonen overtreft die van de fotonen die door alle sterren in de geschiedenis van het universum zijn uitgezonden aanzienlijk. Zonder de expansie van het universum die de afkoeling van de CMB veroorzaakt, zou de nachtelijke hemel net zo helder schijnen als de Zon. De energiedichtheid van de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) is 0,260 eV/cm3 (4,17×10−14 J/m3), oftewel ongeveer 411 fotonen/cm3.

Ontdekking

De eerste gepubliceerde erkenning van de CMB-straling als een detecteerbaar fenomeen verscheen in een kort artikel van de Sovjet-astrofysici A. G. Doroshkevich en Igor Novikov in het voorjaar van 1964. In 1964 begonnen David Todd Wilkinson en Peter Roll, collega's van Robert H. Dicke aan de Princeton University, met de constructie van een Dicke-radiometer om de kosmische microgolfachtergrond te meten. In 1964 hadden Arno Penzias en Robert Woodrow Wilson (foto) op de Crawford Hill-locatie van Bell Telephone Laboratories in het nabijgelegen Holmdel Township, New Jersey, een Dicke-radiometer gebouwd die ze wilden gebruiken voor radioastronomie en experimenten met satellietcommunicatie. De antenne was gebouwd in 1959 ter ondersteuning van Project Echo – de passieve communicatie-satellieten van de National Aeronautics and Space Administration, die grote, in een baan om de Aarde draaiende, gealuminiseerde plastic ballonnen als reflectoren gebruikten om radiosignalen van het ene punt op aarde naar het andere te weerkaatsen. Op 20 mei 1964 deden ze hun eerste meting die duidelijk de aanwezigheid van de microgolfachtergrond aantoonde, waarbij hun instrument een te hoge antennetemperatuur van 4,2 K had die ze niet konden verklaren. Na een telefoontje van Crawford Hill zei Dicke: "Jongens, we zijn ingehaald." Een bijeenkomst tussen de groepen van Princeton en Crawford Hill bevestigde dat de antenne-temperatuur inderdaad te wijten was aan de microgolf-achtergrond.

Kosmische origine

De interpretatie van de kosmische microgolfachtergrondstraling was eind jaren zestig een controversieel onderwerp. Alternatieve verklaringen omvatten energie afkomstig uit het zonnestelsel, sterrenstelsels, intergalactisch plasma en diverse extragalactische radiobronnen.

Twee voorwaarden moesten aantonen dat de microgolfstraling werkelijk "kosmisch" was. Ten eerste moest de intensiteit versus frequentie of het spectrum overeenkomen met die van een thermische bron of een zwartlichaambron. Dit werd in 1968 aangetoond met een reeks metingen van de stralingstemperatuur bij hogere en lagere golflengten. Ten tweede moest de straling isotroop zijn, oftewel vanuit alle richtingen gelijk. Ook dit werd in 1970 aangetoond, waarmee werd bewezen dat deze straling daadwerkelijk van kosmische oorsprong was.

De Holmdel Horn Antenna (foto) is een grote microgolf-hoornantenne die in de jaren zestig werd gebruikt als satelliet-communicatieantenne en radiotelescoop in de Bell Telephone Laboratories-faciliteit op Crawford Hill in Holmdel Township, New Jersey, Verenigde Staten. Het werd in 1989 aangewezen als National Historic Landmark.

COBE

Na een periode van stilte in de jaren zeventig, deels veroorzaakt door de vele experimentele moeilijkheden bij het meten van de kosmische microgolfachtergrondstraling met hoge precisie, werden in de jaren tachtig steeds strengere limieten gesteld aan de anisotropie van de kosmische microgolfachtergrond door experimenten op de grond. RELIKT-1, een Sovjet-experiment naar de anisotropie van de kosmische microgolfachtergrond aan boord van de Prognoz 9-satelliet, leverde de eerste bovengrenzen op voor de grootschalige anisotropie.

De andere belangrijke gebeurtenis in de jaren tachtig was het voorstel van Alan Guth voor kosmische inflatie. Deze theorie van snelle ruimtelijke expansie gaf een verklaring voor grootschalige isotropie door een causaal verband toe te staan vlak voor het tijdperk van de laatste verstrooiing.

De NASA Cosmic Background Explorer (COBE)-satelliet, die tussen 1989 en 1996 in een baan om de aarde draaide, detecteerde en kwantificeerde de grootschalige anisotropieën op de grens van zijn detectiemogelijkheden. De NASA COBE-missie bevestigde de primaire anisotropie duidelijk met het Differential Microwave Radiometer-instrument en publiceerde hun bevindingen in 1992. Het team ontving hiervoor de Nobelprijs voor natuurkunde in 2006.

BOOMERanG

Geïnspireerd door de COBE-resultaten, werden in de daaropvolgende twee decennia een reeks experimenten op de grond en met ballonnen uitgevoerd om de anisotropieën van de kosmische microgolfachtergrond op kleinere hoekschalen te meten. De gevoeligheid van de nieuwe experimenten verbeterde aanzienlijk, met een reductie van de interne ruis met drie ordes van grootte. Het primaire doel van deze experimenten was het meten van de schaal van de eerste akoestische piek, waarvoor COBE onvoldoende resolutie had. Deze piek komt overeen met grootschalige dichtheidsvariaties in het vroege heelal die worden veroorzaakt door gravitationele instabiliteiten, resulterend in akoestische oscillaties in het plasma. De eerste piek in de anisotropie werd voorlopig gedetecteerd door het MAT/TOCO-experiment en het resultaat werd bevestigd door de BOOMERanG en MAXIMA-experimenten (foto). Deze metingen toonden aan dat de geometrie van het heelal ongeveer vlak is, in plaats van gekromd. Ze sloten kosmische snaren uit als een belangrijk onderdeel van de kosmische structuurvorming en suggereerden dat kosmische inflatie de juiste theorie was voor structuurvorming.

WMAP

In juni 2001 lanceerde NASA een tweede CMB-ruimtemissie, WMAP, om veel preciezere metingen te verrichten van de grootschalige anisotropieën over de gehele hemel. WMAP gebruikte symmetrische, snel multi-gemoduleerde scannende radiometers met snelle schakeling op vijf frequenties om ruis van niet-hemelsignalen te minimaliseren. De gegevens van de missie werden in vijf delen vrijgegeven, waarvan de laatste een samenvatting van negen jaar was. De resultaten zijn grotendeels consistent met Lambda CDM-modellen gebaseerd op 6 vrije parameters en passen in de oerknal-kosmologie met kosmische inflatie.

De Degree Angular Scale Interferometer (DASI) was een telescoop die geïnstalleerd was op het Amundsen-Scott South Pole Station van de U.S. National Science Foundation in Antarctica. Het was een interferometer met 13 elementen die werkte tussen 26 en 36 GHz (Ka-band) in tien banden. Het instrument is qua ontwerp vergelijkbaar met de Cosmic Background Imager (CBI) en de Very Small Array (VSA). In 2001 kondigde het DASI-team de meest gedetailleerde metingen aan van de temperatuur, of het vermogensspectrum, van de kosmische microgolfachtergrond (CMB). Deze resultaten omvatten de eerste detectie van de 2e en 3e akoestische pieken in de CMB, wat belangrijk bewijs vormde voor de inflatietheorie.

Planck surveyor

Een derde ruimtemissie, de ESA Planck Surveyor, werd in mei 2009 gelanceerd en voerde een nog gedetailleerder onderzoek uit totdat deze in oktober 2013 werd stopgezet. Planck maakte gebruik van zowel HEMT-radiometers als bolometertechnologie en mat de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) op een kleinere schaal dan WMAP. De detectoren werden getest in de Antarctische Viper-telescoop als het ACBAR-experiment (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver) – dat tot nu toe de meest precieze metingen op kleine hoekschalen heeft opgeleverd – en in de Archeops-ballontelescoop.

Op 21 maart 2013 publiceerde het door Europa geleide onderzoeksteam achter de Planck-kosmologiesonde de all-sky kaart van de kosmische microgolfachtergrondstraling. De kaart suggereert dat het heelal iets ouder is dan onderzoekers hadden verwacht. Volgens de kaart werden subtiele temperatuur-schommelingen in de diepe ruimte afgedrukt toen de kosmos ongeveer 370.000 jaar oud was. De afdruk weerspiegelt rimpelingen die al in het begin van het bestaan van het universum ontstonden, namelijk in de eerste nonillionste (10⁻³⁰) van een seconde. Blijkbaar hebben deze rimpelingen aanleiding gegeven tot het huidige enorme kosmische web van sterrenstelsels en donkere materie. Op basis van de gegevens uit 2013 bevat het universum 4,9% gewone materie, 26,8% donkere materie en 68,3% donkere energie. Op 5 februari 2015 werden nieuwe gegevens vrijgegeven door de Planck-missie, waaruit bleek dat het universum 13,799 ± 0,021 miljard jaar oud is en de Hubble-constante 67,74 ± 0,46 (km/s)/Mpc bedraagt.

SPT

De South Pole Telescope (SPT / foto) is een telescoop met een diameter van 10 meter (390 inch) die zich bevindt op het Amundsen-Scott South Pole Station in Antarctica. De telescoop is ontworpen voor waarnemingen in de microgolf-, millimetergolf- en submillimeter-golfgebieden van het elektromagnetische spectrum, met als specifiek doel het meten van de zwakke, diffuse emissie van de kosmische microgolfachtergrond (CMB).

Belangrijke resultaten zijn onder meer de eerste detectie van B-moduspolarisatie in de CMB, de ontdekking van meer dan 1000 clusters van sterrenstelsels met behulp van het Sunyaev-Zel'dovich-effect, de ontdekking van een populatie van sterk gelensde stoffige sterrenstelsels met hoge roodverschuiving, en ongekend gevoelige metingen van de primaire temperatuur- en polarisatievermogenspectra van de CMB op kleine hoekschalen.

De SPT-samenwerking bestaat uit meer dan een dozijn (voornamelijk Noord-Amerikaanse) instellingen. De samenwerking wordt geleid vanuit de Universiteit van Chicago door projectdirecteur John Carlstrom. Het SPT-programma wordt voornamelijk gefinancierd door de National Science Foundation en het Amerikaanse Ministerie van Energie.

Theoretische modellen

De kosmische microgolfachtergrondstraling en de kosmologische roodverschuiving-afstandrelatie worden samen beschouwd als het beste beschikbare bewijs voor de oerknal. Metingen van de kosmische microgolfachtergrondstraling hebben het inflationaire oerknalmodel tot het standaard kosmologische model gemaakt. De ontdekking van de kosmische microgolfachtergrondstraling midden jaren zestig temperde de interesse in alternatieven zoals de steady-state theorie.

In het oerknalmodel voor de vorming van het heelal voorspelt de inflationaire kosmologie dat het ontluikende heelal na ongeveer 10⁻³⁷ seconden een exponentiële groei doormaakte die bijna alle onregelmatigheden gladstreek. De resterende onregelmatigheden werden veroorzaakt door kwantumfluctuaties in het inflatonveld die de inflatie veroorzaakten. Lang voordat sterren en planeten werden gevormd, was het vroege heelal compacter, veel heter en, vanaf 10⁻⁶ seconden na de oerknal, gevuld met een uniforme gloed van zijn witgloeiende nevel van interagerend plasma van fotonen, elektronen en baryonen.

Theoretische modellen

Naarmate het heelal uitzette, zorgde adiabatische afkoeling ervoor dat de energiedichtheid van het plasma afnam totdat het gunstig werd voor elektronen om zich met protonen te combineren en waterstofatomen te vormen. Deze recombinatie vond plaats toen de temperatuur rond de 3000 K lag, ofwel toen het heelal ongeveer 379.000 jaar oud was. Omdat fotonen niet met deze elektrisch neutrale atomen interacteerden, begonnen ze vrij door de ruimte te reizen, wat resulteerde in de ontkoppeling van materie en straling. De kleurtemperatuur van het ensemble van ontkoppelde fotonen is sindsdien blijven dalen; nu tot 2,7260 ± 0,0013 K, zal deze blijven dalen naarmate het heelal uitzet. De intensiteit van de straling komt overeen met zwarte-lichaamstraling bij 2,726 K, omdat roodverschoven zwarte-lichaamstraling precies hetzelfde is als zwarte-lichaamstraling bij een lagere temperatuur. Volgens het oerknalmodel komt de straling van de hemel die we vandaag meten van een bolvormig oppervlak, het zogenaamde oppervlak van de laatste verstrooiing. Dit vertegenwoordigt de verzameling locaties in de ruimte waar de ontkoppelingsgebeurtenis naar schatting heeft plaatsgevonden en op een tijdstip waarop de fotonen van die afstand net de waarnemers hebben bereikt. Het grootste deel van de stralingsenergie in het universum bevindt zich in de kosmische microgolfachtergrond, die een fractie van ongeveer 6×10⁻⁵ van de totale dichtheid van het universum uitmaakt.

Voorspellingen

Eind jaren veertig redeneerden Alpher (foto) en Herman dat als er een oerknal was geweest, de expansie van het heelal de hoogenergetische straling van het zeer vroege heelal zou hebben uitgerekt tot in het microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum, en tot een temperatuur van ongeveer 5 K. Hun schatting was iets te hoog, maar ze hadden wel het juiste idee. Ze voorspelden de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB). Het duurde nog vijftien jaar voordat Penzias en Wilson ontdekten dat de microgolfachtergrondstraling er daadwerkelijk was.

Volgens de standaardkosmologie geeft de CMB een momentopname van het hete vroege heelal op het moment dat de temperatuur voldoende daalde om elektronen en protonen waterstofatomen te laten vormen. Door deze gebeurtenis werd het heelal bijna transparant voor straling, omdat licht niet langer werd verstrooid door vrije elektronen. Toen dit gebeurde, zo'n 380.000 jaar na de oerknal, was de temperatuur van het heelal ongeveer 3000 K. Dit komt overeen met een omgevingsenergie van ongeveer 0,26 eV, wat veel minder is dan de ionisatie-energie van waterstof van 13,6 eV. Dit tijdperk staat algemeen bekend als de "tijd van de laatste verstrooiing" of de periode van recombinatie of ontkoppeling.

Primaire anisotropie

De anisotropie, oftewel de richtingsafhankelijkheid, van de kosmische microgolfachtergrondstraling wordt onderverdeeld in twee typen: primaire anisotropie, veroorzaakt door effecten die optreden aan het oppervlak van de laatste verstrooiing en daarvoor; en secundaire anisotropie, veroorzaakt door effecten zoals interacties van de achtergrondstraling met tussenliggend heet gas of zwaartekrachtspotentialen, die optreden tussen het oppervlak van de laatste verstrooiing en de waarnemer.

De structuur van de anisotropieën in de kosmische microgolfachtergrondstraling wordt hoofdzakelijk bepaald door twee effecten: akoestische oscillaties en diffusiedemping. De akoestische oscillaties ontstaan door een conflict in het foton-baryonplasma in het vroege heelal. De druk van de fotonen heeft de neiging anisotropieën te wissen, terwijl de zwaartekracht van de baryonen, die zich met snelheden veel lager dan de lichtsnelheid bewegen, ervoor zorgt dat ze de neiging hebben samen te trekken en overdichtheden te vormen. Deze twee effecten concurreren om akoestische oscillaties te creëren, die de microgolfachtergrondstraling zijn karakteristieke piekstructuur geven. De pieken komen ruwweg overeen met resonanties waarbij de fotonen loskoppelen wanneer een bepaalde modus zijn maximale amplitude bereikt.

Bronnen

- Wikipedia
- ESA
- NASA
- Life magazine
- iStock

Astropolis respecteert logischerwijze de auteursrechten, maar het blijkt helaas niet altijd mogelijk om te achterhalen wie de rechtmatige eigenaar is van betreffende foto of video. Bent u de eigenaar en maakt u bezwaar ? Neem dan gerust contact met ons op !