Kosmiese mikrogolfagtergrond

Die kosmiese mikrogolfagtergrond (KMA) in Oerknalkosmologie is elektromagnetiese straling as ’n oorblyfsel van ’n vroeë stadium van die heelal. Die KMA is flou kosmiese agtergrondstraling wat die hele ruimte vul. Dit is ’n belangrike bron van data oor die vroeë heelal omdat dit die oudste elektromagnetiese straling in die heelal is; dit dateer van die herkombinasie-epog. Deur ’n tradisionele optiese teleskoop is die ruimte tussen sterre en sterrestelsels (die "agtergrond") heeltemal donker. ’n Radioteleskoop wat sensitief genoeg is, registreer egter ’n dowwe agtergrondgeraas, of -gloed, byna isotropies (met dieselfde fisiese eienskappe in alle rigtings), wat nie verbind word met enige ster, sterrestelsel of ander voorwerp nie. Hierdie gloed is die sterkste in die mikrogolfstreek van die radiospektrum. 

Die toevallige ontdekking van die KMA in 1964 deur die Amerikaanse radiosterrekundiges Arno Penzias en Robert Wilson was die uiteinde van werk wat in die 1940's begin is en waarvoor die ontdekkers in 1978 die Nobelprys vir fisika ontvang het.

KMA is ’n belangrike bewys van die Oerknal-oorsprong van die heelal. Toe die heelal jonk was, voor die vorming van sterre en planete, was dit digter en baie warmer, en was dit gevul met die eenvormige gloed van ’n witwarm mis van waterstofplasma. Namate die heelal uitgedy het, het die plasma én die straling wat dit gevul het, afgekoel. Toe die heelal koel genoeg was, het protone en elektrone gekombineer om neutrale waterstofatome te vorm. Anders as die ongekombineerde protone en elektrone, kon hierdie nuut gevormde atome nie die termiese straling deur middel van Thomson-verstrooiing verstrooi nie, en so het die heelal deursigtig geword in plaas van om ’n ondeursigtigte mis te wees. Kosmoloë verwys na die tydperk toe neutrale atome die eerste keer gevorm het as die "herkombinasie-epog" en die verskynsel kort daarna, toe fotone vrylik deur die ruimte begin beweeg het in plaas daarvan om voortdurend deur elektrone en protone in plasma verstrooi te word, as "fotonontkoppeling". Die fotone wat in die tydperk van fotonontkoppeling bestaan het, versprei sedertdien steeds, hoewel hulle dowwer en minder energiek word omdat die uitdying van die heelal veroorsaak dat hulle golflengte mettertyd toeneem (en golflengte is omgekeerd gelyk aan energie, volgens Planck se verhouding).

Presiese meting
’n Presiese meting van die KMA is uiters belangrik in kosmologie, want enige voorgestelde model van die heelal moet hierdie straling kan verduidelik. Die KMA het ’n termiese swartstralerspektrum by ’n temperatuur van . Die stralingsdigtheid dEν/dν bereik ’n hoogtepunt by 160,23 GHz, in die mikrogolfomvang van frekwensies, wat ooreenstem met ’n fotonenergie van sowat 6,626 ⋅ 10-4 eV. Alternatiewelik, as stralingsdigtheid gedefinieer word as dEλ/dλ, is die maksimum golflengte 1,063 mm (282 GHz, 1,168 ⋅ 10-3 eV fotone). Die gloed is byna eenvormig in alle rigtings, maar die klein variasies toon ’n spesifieke patroon, dieselfde as wat verwag sal word van ’n redelik eenvormig verspreide warm gas wat uitgesit het tot die huidige grootte van die heelal. Veral die stralingsdigtheid teen verskillende waarnemingshoeke in die lug bevat klein anisotropieë, of onreëlmatighede, wat verskil na gelang van die grootte van die streek wat ondersoek word. Hulle is in detail gemeet en kom ooreen met wat verwag kan word as klein termiese variasies, wat veroorsaak word deur kwantumskommelings van materie in ’n baie klein ruimte, uitgesit het tot die grootte van die waarneembare heelal wat ons vandag sien. Dié veld word baie aktief bestudeer en wetenskaplikes probeer om beter data te kry sowel as om die aanvanklike toestande van uitdying beter te vertolk. Hoewel baie verskillende prosesse die algemene vorm van ’n swartstralerspektrum kan teweegbring, het geen ander model buiten die Oerknal nog die wisselings verduidelik nie. Daarom beskou die meeste kosmoloë die Oerknalmodel as die beste verduidelik van die KMA.

Die hoë mate van eenvormigheid dwarsdeur die waarneembare heelal en die klein, maar gemete anisotropie ondersteun die Oerknalmodel in die algemeen en die ΛKDM-model in besonder.

Eienskappe

Die kosmiese mirogolfagtergrondstraling is ’n emissie van eenvormige swartstraler- termiese energie uit alle dele van die lug. Die straling is onreëlmatig teen sowat een deel in 100 000. 

In die Oerknalmodel word voorspel dat die pas ontstaande heelal ná sowat 10-37 sekondes eksponensiële groei ondergaan het wat fetlik alle onreëlmatighede uitgestryk het. Die oorblywende onreëlmatighede is veroorsaak deur kwantumskommelings in die inflasieveld wat die inflasie veroorsaak het. Lank voor die vorming van sterre en planete was die vroeë heelal kleiner en baie warmer. Van sowat 10-6 sekondes ná die Oerknal is dit gevul met ’n eenvormige gloed van witwarm mis van die wisselwerkende plasma van fotone, elektrone en barione.

Namate die heelal uitgedy het, het afkoeling veroorsaak dat die energiedigtheid van die plasma begin afneem het totdat dit moontlik geraak het vir die elektrone om met die protone te kombineer en so waterstofatome te vorm. Hierdie herkombinasie het plaasgevind toe die temperatuur sowat 3 000 K was, of toe die heelal sowat 379 000 jaar oud was. Omdat fotone nie ’n wisselwerking met hierdie elektries neutrale atome gehad het nie, het die fotone vrylik deur die ruimte begin beweeg en dit het die ontkoppeling van materie en straling tot gevolg gehad.

Die kleurtemperatuur van die ontkoppelde fotone neem sedertdien voortdurend af; dit is nou , en sal aanhou afneem namate die heelal uitdy. Volgens die Oerknalmodel kom die straling uit die lug wat ons vandag meet, van ’n sferiese oppervlak bekend as die "oppervlak van die laaste verstrooiing". Dit verteenwoordig die stel liggings in die ruimte waar die ontkoppeling na raming plaasgevind het en op ’n tydstip sodat die fotone van daardie afstand af waarnemers pas bereik het. Die meeste van die stralingsenergie in die heelal is in die kosmiese mikrogolfagtergrond, en dit maak ’n klein deeltjie van rofweg  uit van die totale digtheid van die heelal.

Twee van die groot suksesse van die Oerknalteorie is die voorspelling van die byna perfekte swartstralerspektrum en die gedetailleerde voorspelling van die anisotropieë in die KMA. Die KMA-spektrum is die swartstralerspektrum wat nog die noukeurigste gemeet is.

Die energiedigtheid van die KMA is  ( of 400-500 fotone/cm3).

Verwysings

Verdere leesstof

Skakels
 Student Friendly Intro to the CMB ’n Stap-vir-stap bekendstelling aan die KMA
 KMA op arxiv.org
 Oudio: Fraser Cain en dr. Pamela Gay. "The Big Bang and Cosmic Microwave Background" – Oktober 2006
 

Fisiese kosmologie
Astrofisika