Sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik

Dalam bidang kosmologi, sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) (juga  CMBR, CBR, MBR, dan sinaran tinggalan) ialah sinaran terma yang hampir seragam memenuhi alam semesta.

Dengan teleskop optik tradisional, ruang di antara bintang dan galaksi (latar belakang) gelap sepenuhnya. Tetapi radio teleskop yang cukup sensitif menunjukkan satu cahaya latar belakang yang samar-samar, hampir sekata pada semua arah, yang tidak dikaitkan dengan mana-mana bintang, galaksi atau objek lain. Cahaya ini adalah terkuat dalam rantau gelombang mikro spektrum radio. Penemuan sinaran latar gelombang mikro kosmik dijumpai pada tahun 1964 oleh ahli astronomi radio Amerika, Arno Penzias dan Robert Wilson dan merupakan kemuncak hasil kerja yang telah dimulakan sejak tahun 1940-an, dan mendapat anugerah Hadiah Nobel 1978.

Sinaran latar kosmik telah dijelaskan dengan baik sebagai sisa sinaran baki dari peringkat awal perkembangan alam semesta, dan jumpaannya dianggap sebagai ujian mercu tanda bagi model Letupan Besar alam semesta. Ketika alam semesta masih muda, sebelum pembentukan sebarang bintang dan planet, ia adalah lebih kecil, lebih panas, dan penuh dengan cahaya yang sekata hasil kabus plasma hidrogen yang panas putih. Seperti pengembangan alam semesta, kedua-dua plasma dan sinaran yang mengisinya menjadi semakin sejuk. Apabila alam semesta disejukkan secukupnya, proton dan elektron boleh membentuk atom neutral. Atom-atom ini tidak lagi dapat menyerap sinaran haba, dan alam semesta menjadi telus dan bukan menjadi kabus legap. Foton yang wujud pada masa itu telah tersebar sejak itu, sungguhpun ia menjadi semakin pucat dan kurang bertenaga, kerana bilangan foton yang sama mengisi alam semesta yang lebih besar dan lebih luas. Ini merupakan istilah alternatif bagi sisa radiasi".

Ukuran tepat sinaran latar kosmik adalah penting bagi kosmologi, kerana mana-mana model yang dicadangkan bagi pembentukan alam semesta mesti menjelaskan sinaran ini. Sinat Latar Gelombang Mikro Kosmik-CMBR memiliki spektrum haba jasad hitam pada suhu 2.725 K, dengan itu puncak spektrum dalam julat gelombang mikro frekuensi 160.2 GHz, yang sepadan dengan panjang gelombang 1.9 mm. Ini kekal jika diukur setiap unit frekuensi, seperti dalam hukum Planck . Jika diukur dan bukannya satu panjang gelombang setiap unit, dengan menggunakan undang-undang Wien, kepuncak adalah pada 1.06 mm sepadan dengan frekuensi 283 GHz.

Kilauan ini adalah seragam pada semua arah, tetapi sisa variasi kecil menunjukkan satu corak yang sangat khusus yang sama seperti yang dijangka sekiranya gas panas yang agak seragam diagihkan berkembang kepada saiz alam semesta masa kini. Khususnya, ruang spektrum kuasa (berapa banyak perbezaan yang dilihat berbanding berapa jauh daerah di langit) mengandungi anisotropies kecil, atau penyelewengan, yang berbeza dengan saiz rantau yang diperiksa . Mereka telah diukur secara terperinci, dan sepadan dengan apa yang akan dijangka sekiranya variasi haba kecil, yang dijana oleh turun naik kuantum bahan di dalam ruang yang sangat kecil, telah berkembang kepada saiz alam semesta yang kita lihat hari ini. Ini masih satu bidang kajian yang sangat aktif, dengan ahli sains mencari kedua-dua data yang lebih baik (sebagai contoh , kapal angkasa Planck) dan tafsiran yang lebih baik mengenai keadaan awal pengembangan alam semesta.

Sungguhpun banyak proses yang berlainan mungkin menghasilkan bentuk umum bagi spektrum jasad hitam, tiada model lain selain Letupan Besar yang mampu menjelaskan turun naik ini. Hasilnya, kebanyakan ahli kosmologi menyifatkan model Letupan Besar bagi alam semesta sebagai penjelasan terbaik bagi Sinar Latar Gelombang Mikro Kosmik-CMBR.

Ciri-ciri

Sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik merupakan pancaran tenaga terma jasad hitam seragam yang datang dari segenap sudut angkasa. Sinarannya adalah isotropik kepada, secara kasarnya, satu per 100,000: ubahan punca min kuasa duanya hanya sebanyak 18 μK, selepas anisotropi dwikutub ditolak daripada anjakan Dopplernya. Kesan Doppler itu berlaku disebabkan oleh halaju khusus Bumi relatif kepada rangka rehat kosmik segerak sedang Bumi bergerak pada halaju 627 km/s kearah buruj Virgo.

Dalam model Letupan Besar bagi pembentukan alam semesta, Kosmologi Penggelembungan meramalkan bahawa selepas kira-kira 10−37 saat alam semesta baru melalui pertumbuhan eksponen yang melicinkan hampir semua ketakhomogenan. Ketakhomogenan yang selebihnya adalah disebabkan oleh turun naik kuantum dalam medan inflaton yang menyebabkan kejadian penggelembungan itu tadi.  Selepas 10−6 saat, alam semesta awal terdiri daripada foton, elektron, dan baryon dalam bentuk plasma panas yang saling tindak antara satu sama lain. Sedang alam semesta berkembang, penyejukan adiabatik menyebabkan plasma kehilangan tenaga lantas membolehkan elektron bergabung dengan proton lalu membentuk atom hidrogen. Penggabungan semula ini berlaku apabila suhu berada dalam sekitar 3000 K atau semasa alam semesta sudah berusia kira-kira 379,000  tahun Pada tahap ini, foton tidak lagi bertindak balas dengan atom yang kini neutral secara elektrik dan mula untuk mengalir bebas melalui angkasa, lalu berlakulah penyahgandingan jisim dan terhasillah sinaran.

Suhu warna foton yang dinyahgandingkan tadi terus berkurangan sejak itu; kini telah turun kepada 2.725 K dan akan kekal merosot sambil alam semesta berkembang. Menurut model Letupan Besar, sinaran dari langit yang kita ukur hari ini datang dari permukaan sfera yang dipanggil permukaan penyerakan terakhir''. Ia mewakili set lokasi dalam angkasa lepas di mana peristiwa penyahgandingan dipercayai telah berlaku dan pada satu titik masa di mana foton dari jarak itu baru sahaja sampai kepada pemerhati. Kebanyakan tenaga sinaran dalam alam semesta ini berada dalam latar belakang gelombang mikro kosmik,  membentuk sebahagian kecil daripada kira-kira  jumlah ketumpatan alam semesta.

Dua kejayaan besar teori Letupan Besar ialah ramalan spektrum jasad hitam yang hampir sempurna dan ramalan terperinci bagi anisotropi dalam latar belakang gelombang mikro kosmik. Spektrum CMB telah menjadi spektrum jasad hitam yang paling tepat diukur dalam alam semula jadi.

Sejarah

Latar gelombang mikro kosmik diramal pada tahun 1948 oleh George Gamow, Ralph Alpher, dan Robert Herman.  Alpher dan Herman berjaya menganggarkan bahawa suhu latar gelombang mikro ialah 5 K, namun dua tahun kemudian mereka menganggarkannya semula kepada 28 K. Anggaran tinggi ini disebabkan oleh salah anggaran pemalar Hubble oleh Alfred Behr, yang kemudiannya tidak boleh diulang dan kemudian ditinggalkan dengan anggaran lebih awal. Sungguhpun terdapat beberapa anggaran sebelum ini bagi suhu angkasa, kesemuanya mempunyai dua kecacatan. Pertama, kesemuanya ialah ukuran suhu berkesan angkasa dan tidak mencadangkan bahawa angkasa diisi dengan spektrum Planck terma. Kemudian, kesemua anggaran bergantung pada keberadaan kita di tempat istimewa di pinggir galaksi Bima Sakti dan anggaran tersebut tidak mencadangkan bahawa sinaran itu isotropik. Anggaran ini akan memberikan ramalan yang amat berlainan sekiranya Bumi berada di tempat lain di Alam Semesta.

Pada tahun 1948 hasil kerja Alpher dan Herman dibincangkan dalam banyak persidangan fizik sehingga kira-kira tahun 1955, apabila keduanya meninggalkan Makmal Fizik Gunaan di Universiti Johns Hopkins. Masyarakat astronomi arus perdana bagaimanapun, pada masa itu tidak tertarik dengan kosmologi. Ramalan Alpher dan Herman dijumpai kembali oleh Yakov Zel'dovich pada awal tahun 1960-an, serta diramal sendiri oleh Robert Dicke pada masa yang sama. Terbitan pertama yang mengakui sinaran CMB sebagai fenomena yang boleh dikesan muncul dalam sebuah kertas kerja ringkas tulisan ahli astrofizik Soviet Union, A. G. Doroshkevich dan Igor Dmitriyevich Novikov, pada musim bunga tahun 1964. Pada tahun 1964, David Todd Wilkinson dan Peter Roll, rakan kerja Dicke di Universiti Princeton, mula membina radiometer Dicke bagi mengukur latar belakang gelombang mikro kosmik. Pada 1965, Arno Penzias dan Robert Woodrow Wilson di lokasi Bukit Crawford di Makmal Telefon Bell berdekatan Holmdel Township, New Jersey telah membina radiometer Dicke yang mereka rancang untuk gunakan bagi uji kaji astronomi radio dan komunikasi satelit. Peralatan mereka memiliki termal bunyi melampaui 3.5 K  yang mereka tidak dapat jelaskan. Selepas menerima panggilan telefon dari Bukit Crawford, Dicke terkenal sebagai berkata: "Boys, we've been scooped." Pertemuan antara kumpulan Princeton dan Bukit Crawford menentukan bahawa termal antena adalah disebabkan oleh latar belakang gelombang mikro. Penzias dan Wilson menerima Hadian Nobel dalam Fizik pada tahun 1978 bagi jumpaan mereka.

Penafsiran latar gelombang mikro kosmik merupakan isu pertikaian pada 1960-an dengan sebahagian penyokong theori keadaan mantap ("steady state") menegaskan bahawa latar gelombang mikro ialah hasil cahaya bintang bersepadu dari galaksi jauh. Menggunakan model ini, dan berasaskan kajian ciri garis penyerapan sempit pada spektra bintang, ahli astronomi Andrew McKellar menulis pada 1941: "Ia boleh dikira bahawa 'suhu putaran' ruang antara bintang ialah 2 K." Bagaimana, semasa 1970-an persetujuan dihasilkan bahawa latar belakang gelombang mikro kosmik merupakan sisa letupan besar. Ini sebahagian besarnya disebabkan ukuran baru pada julat frekuensi menunjukkan bahawa spektrum itu ialah spektrum haba, jasad hitam, hasil yang tidak mampu dihasilkan semula oleh model keadaan mantap.

Harrison, Peebles, Yu dan Zel'dovich menyedari bahawa alam semesta awal perlu memiliki ketaksamaan pada tahap 10−4 or 10−5. Rashid Sunyaev later calculated the observable imprint that these inhomogeneities would have on the cosmic microwave background. Increasingly stringent limits on the anisotropy of the cosmic microwave background were set by ground based experiments during the 1980s.  RELIKT-1, a Soviet cosmic microwave background anisotropy experiment on board the Prognoz 9 satellite (launched 1 July 1983) gave upper limits on the large-scale anisotropy. The NASA COBE mission clearly confirmed the primary anisotropy with the Differential Microwave Radiometer instrument, publishing their findings in 1992. Pasukan tersebut menerima Hadiah Nobel fizik untuk tahun 2006 atas penemuan ini.

Dirangsang dengan hasil COBE, satu siri uji kaji di darat dan belon yang mengukur anisotropies sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik pada skalar bersudut kecil sepanjang abad berikutnya. Matlamat utama uji kaji ini adalah bagi mengukur skala puncak bunyi pertama, yang COBE tidak memiliki resolusi mencukupi menyelesaikannya. Puncak ini selari dengan variasi kepadatan berskala besar pada alam semesta awal yang terhasil akibat ketidak stabilan graviti, menghasilkan ayunan bunyi dalam plasma. Puncak pertama pada anisotropy dikesan samar-samar oleh uji kaji Toco dan hasilnya disahkan oleh ujian BOOMERanG dan ujian "Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array-MAXIMA". These measurements demonstrated that the geometry of the Universe is approximately flat, rather than curved. They ruled out cosmic strings as a major component of cosmic structure formation and suggested cosmic inflation was the right theory of structure formation.

Puncak kedua secara kabur dikesan melalui beberapa ujian sebelum dikesan dengan muktamad oleh WMAP, yang juga menimbang mengesan puncak ketiga. Pada 2010, beberapa uji kaji bagi memperelok ukuran pengutuban dan latar gelombang mikro pada skala bersudut kecil sedang berlangsung. Ini termasuk DASI, WMAP, BOOMERanG, QUaD, kapal angkasa Planck, Teleskop Kosmologi Atacama, Teleskop Kutub Selatan dan  teleskop QUIET.

Nota kaki

Rujukan

Pautan kaki

CMBR Theme on arxiv.org
 Audio: Fraser Cain and Dr. Pamela Gay - Astronomy Cast.  The Big Bang and Cosmic Microwave Background - October 2006

Astronomi radio
Fizik kosmologi
Sumber radio astronomi

sk:Reliktové žiarenie