Kosmiline mikrolaine-taustkiirgus (CMB): päritolu ja kosmoloogiline tähtsus

Kosmiline mikrolaine taustakiirgus (CMB-kiirgus) on elektromagnetilise spektri mikrolaineosas olev kiirgus, mis pärineb kosmosest kõikidest suundadest. See kiirgus on praktiliselt ühtlane kõikjal taevas, kuid sisaldab peenikesi temperatuurierinevusi (anisotroopiaid), mis kannavad informatsiooni varasema universumi struktuurist. CMB on praktiliselt ideaalne mustkeha spektri kujul ja selle keskmine temperatuur tänapäeval on ligikaudu 2,725 K (kohandatuna vastavalt kiirguse punaniirdega alates selle tekkimisest).

Päritolu ja varane universum

Algul oli Suure paugu järel universum väga kuum ja ioniseeritud – vabas vormis elektronid ning prootonid hajutasid footoneid pidevalt, nii et valgus ei saanud vaba teed läbida. Kui universum laienes ja jahtus, said prootonid ja elektronid kokku ning moodustus neutraalne vesinik (see protsess nimetatakse rekombinatsiooniks). Umbes 380 000 aastat pärast Suurt Pauku läks universum läbipaistvaks ning footonid vabanesid otselisemalt hajutamisest – need footonid on need, mida me tänapäeval CMB-na näeme. Selle 'viimase hajutuse pind' (surface of last scattering) paikneb punanihke juures z ≈ 1100, mis selgitab, miks CMB on tänaseks nihkunud mikrolainete vahemikku.

Energia ja spekter

Algsete kõrgeenergia footonite lainepikkused on universumi laienedes veninud — seetõttu on tänane CMB madalaenergia mikrolaineline kiirgus võrreldes algse seisundiga. COBE-satelliidi FIRAS-instrument mõõtis CMB spektrit ja leidis, et see vastab ääretult täpselt kontakti mustkeha spektrile, mis on tugev tõend selle kohta, et kiirgus tekkis väga kuumas ja tasakaalustatud varases olekus.

Avastus ja täpsemad mõõtmised

Esimesena avastasid CMB kiirguse Arno Penzias ja Robert Wilson 1965. aastal, mille eest nad hiljem said Nobeli preemia. Aja jooksul on CMB mõõtmisteni viinud mitu olulist missiooni: COBE (milles tuvastati ka anisotroopia ja kinnitati mustkeha spekter), WMAP (mis kaardistas anisotroopia suurema täpsusega) ja Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) Plancki kosmoseaparaat, mis andis kõrge tundlikkuse ja hea nurgaeraldusvõimega kogu taevalaotuse kaardistuse. Plancki andmed on aidanud täpselt määrata kosmoloogilisi parameetreid ja analüüs jätkub ka pärast missiooni lõppu.

Anisotroopia, akustilised tippud ja polarisatsioon

CMB anisotroopia analüüs näitab akustilisi tippusid, mis peegeldavad varajase universumi tihedus- ja rõhu kõikumisi (baryon acoustic oscillations). Nende tippude asukohad ja kõrgused võimaldavad määrata näiteks universumi geomeetriat (väga lähedane kõveruseta ehk lame), omaaine (baryonite) hulka ja tumeda aine tihedust. Lisaks temperatuurianisotroofiatele mõõdetakse CMB polarisatsiooni: E‑mood (sünkroonitud tihedus‑kontakte) on hästi mõõdetud ja B‑moodide otsimine on oluline, sest primaarsete B‑moodide olemasolu võiks olla otsene tunnistus primordiaalsetest gravitatsioonilainedest ja seega inflatsioonist.

Kosmoloogiline tähtsus

• Tugev tõend Suure paugu mudeli kasuks: CMB olemasolu ning selle mustkeha spekter on üheks parimaks füüsikalise Suure paugu kinnituseks.
• Parameetrite kitsendamine: CMB andmed võimaldavad täpselt määrata universumi vanust (~13,8 miljardit aastat), koosseisu (bariionid, külm tumeaine, tumeenergia) ja laienemiskiirust sünoptiseerituna teiste vaatlustega.
• Inflatsiooniprotokollid: CMB anisotroopia ja selle spektri ligikaudu skaalavaba ja gaussiline iseloom toetavad inflatsioonimudeele, mis prognoosib algsete tiheduse kõikumiste päritolu kvantfluktatsioonidest.
• Struktuuri teke: CMB anomaaliad on varajaste tiheduse kõikumiste lähtepunktiks, millest aja jooksul tekkisid galaktikad ja suuremad struktuurid.

Anomaaliad ja nende võimalikud seletused

"ebasümmeetria keskmistes temperatuurides vastandlikel taevapoolkeral. See on vastuolus standardmudeli prognoosiga, mille kohaselt peaks Universum olema üldjoontes sarnane igas suunas, kuhu me vaatame. Lisaks sellele ulatub külm punkt üle oodatust palju suurema taevalaotuse".

Neid anomaaliaid – näiteks hemisfääriline ebasümmeetria ja nii‑öelda CMB külm punkt – on täheldatud Plancki ja varasemate missioonide andmetes. Neile ei ole ühte selget, vaieldamatut seletust. Võimalikud seletused hõlmavad järgmist:

• statistiline juhus (cosmic variance) — väikese tõenäosusega, kuid siiski võimalik juhuslik kohtumineoodus;
• süsteemsed efektid või taustkiirguse korrektsioonid (mõjutused instrumentide või andmetöötluse poolt);
• galaktilised või lokaalsete struktuuride efekte (näiteks tähtede või tolmu esinemine), kuigi traditsioonilised saasteallikad ei paista neid seletavat;
• füüsika väljaspool standardset mudelit — näiteks inflatsiooni mittestandardne käitumine, topoloogilised efektid, primordiaalsed kõrvalekalded või ainuüksi suurendatud iseloomustused;
• integrated Sachs–Wolfe (ISW) efekt koos suuriududega (supervoid) võib osaliselt seletada mõnda külma piirkonda.

Praegu jääb nende anomaaliate lõplik tõlgendus lahtiseks ja teemasse on kaasatud nii statistiline analüüs kui ka uued vaatlused ja teoreetilised mudelid.

Tuleviku suundumused

Järgmised sammud CMB‑uuringutes keskenduvad peamiselt tundlikuma polarisatsiooni mõõtmisele (eriti primordiaalsete B‑moodide otsimisele), suurema ruumi ja sügavuse kaardistamisele ning maapealsete ja kosmosepõhiste eksperimentide kombineerimisele. Sellised projektid nagu CMB‑S4, uuendatud satelliidimissioonid ja kõrgresolutsioonilised maapealsed teleskoobid püüavad vähendada müra, paremini karakteriseerida anomaaliaid ja otsida signaale, mis annaksid otsese tõendi primordiaalsete gravitatsioonilainete olemasolu kohta.

Selle kohta ei ole teada ühtegi selgitust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kosmiline mikrolaine taustakiirgus?

K: Kuidas me teame, et CMB-kiirgus saabub vanima signaalina?

K: Kes avastas CMB-kiirguse esimesena?

K: Milliseid tõendeid annab selle olemasolu Suure Paugu teooria jaoks?

K: Mida pidi Plancki kosmoseaparaat jälgima?

K: Milliseid ootamatuid avastusi on teadlased avastanud, analüüsides Plancki kosmosesondi andmeid?

Otsing