Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła - Discovery of cosmic microwave background radiation
| Część serii na |
| Kosmologia fizyczna |
|---|
 |
Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła stanowi poważny rozwój we współczesnej kosmologii fizycznej . W 1964 roku amerykański fizyk Arno Allan Penzias i radioastronom Robert Woodrow Wilson odkryli CMB, szacując jego temperaturę na 3,5 K, podczas eksperymentów z anteną rogową Holmdel . Nowe pomiary zostały zaakceptowane jako ważny dowód na istnienie gorącego wczesnego Wszechświata ( teoria Wielkiego Wybuchu ) i jako dowód przeciwko konkurencyjnej teorii stanu ustalonego, ponieważ prace teoretyczne około 1950 r. wykazały potrzebę CMB dla spójności z najprostszymi relatywistycznymi modelami Wszechświata . W 1978 roku Penzias i Wilson otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wspólny pomiar. Andrew McKellar przeprowadził wcześniej pomiar kosmicznego promieniowania tła ( CMB ) w 1941 roku w efektywnej temperaturze 2,3 K przy użyciu linii absorpcji gwiazdowej CN obserwowanych przez WS Adamsa. Chociaż McKellar nie wspomina o CMB, znaczenie tego pomiaru zrozumiano dopiero dużo później po pomiarach Penziasa i Wilsona.
Historia
W połowie XX wieku kosmolodzy opracowali dwie różne teorie wyjaśniające powstanie wszechświata. Niektórzy poparli teorię stanu ustalonego , która głosi, że wszechświat zawsze istniał i będzie przetrwał bez zauważalnych zmian. Inni wierzyli w teorię Wielkiego Wybuchu , która głosi, że wszechświat powstał w wyniku potężnego, podobnego do eksplozji zdarzenia miliardy lat temu ( później ustalono na około 13,8 miliarda lat ).
W 1941 roku Andrew McKellar wykorzystał obserwacje spektroskopowe WS Adamsa linii absorpcyjnych CN w widmie gwiazdy typu B do zmierzenia temperatury tła ciała doskonale czarnego 2,3 K. McKellar określił swoje wykrycie jako „obrotową” temperaturę cząsteczek międzygwiazdowych”, bez odniesienia do interpretacji kosmologicznej, stwierdzającej, że temperatura „będzie miała swoje własne, być może ograniczone znaczenie”.
Ponad dwie dekady później, pracując w Bell Labs w Holmdel w stanie New Jersey , w 1964 roku, Arno Penzias i Robert Wilson eksperymentowali z superczułą, 6-metrową (20 stóp) anteną tubową, oryginalnie zbudowaną do wykrywania fal radiowych odbijanych od satelitów balonowych Echo . Aby zmierzyć te słabe fale radiowe, musieli wyeliminować wszystkie rozpoznawalne zakłócenia ze swojego odbiornika. Usunęli skutki transmisji radarowej i radiowej oraz stłumili zakłócenia powodowane przez ciepło w samym odbiorniku, chłodząc go ciekłym helem do -269°C, czyli tylko 4 K powyżej zera absolutnego .
Kiedy Penzias i Wilson ograniczyli swoje dane, znaleźli niski, stały, tajemniczy szum, który utrzymywał się w ich odbiorniku. Ten szczątkowy hałas był 100 razy bardziej intensywny, niż się spodziewali, był równomiernie rozłożony na niebie i był obecny w dzień iw nocy. Byli pewni, że wykryte promieniowanie o długości fali 7,35 cm nie pochodziło z Ziemi , Słońca ani z naszej galaktyki . Po dokładnym sprawdzeniu ich wyposażenia, usunięciu kilku gołębi gnieżdżących się w antenie i oczyszczeniu nagromadzonych odchodów , szum pozostał. Obaj doszli do wniosku, że ten hałas pochodzi spoza naszej galaktyki – chociaż nie byli świadomi istnienia żadnego źródła radiowego, które by to wyjaśniało.
W tym samym czasie Robert H. Dicke , Jim Peebles i David Wilkinson , astrofizycy z Uniwersytetu Princeton, oddalonego zaledwie o 60 km (37 mil), przygotowywali się do poszukiwania promieniowania mikrofalowego w tym obszarze widma. Dicke i jego koledzy doszli do wniosku, że Wielki Wybuch musiał rozproszyć nie tylko materię, która skondensowała się w galaktyki. ale także musiał wyzwolić potężny podmuch promieniowania. Przy odpowiednim oprzyrządowaniu promieniowanie to powinno być wykrywalne, chociaż jako mikrofale, ze względu na ogromne przesunięcie ku czerwieni .
Kiedy jego przyjaciel Bernard F. Burke , profesor fizyki na MIT , opowiedział Penziasowi o przeddruku, który widział Jim Peebles na temat możliwości znalezienia promieniowania pozostałego po eksplozji, która wypełniła wszechświat na początku jego istnienia, Penzias i Wilson zaczął zdawać sobie sprawę ze znaczenia tego, co uważali za nowe odkrycie. Charakterystyka promieniowania wykrytego przez Penziasa i Wilsona dokładnie pasuje do promieniowania przewidywanego przez Roberta H. Dicke'a i jego kolegów z Princeton University. Penzias zadzwonił do Dicke'a w Princeton, który natychmiast wysłał mu kopię nieopublikowanej jeszcze gazety Peebles. Penzias przeczytał gazetę, ponownie zadzwonił do Dicke'a i zaprosił go do Bell Labs, żeby spojrzał na antenę tuby i posłuchał szumu tła. Dicke, Peebles, Wilkinson i PG Roll zinterpretowali to promieniowanie jako oznakę Wielkiego Wybuchu.
Aby uniknąć potencjalnego konfliktu, postanowili wspólnie opublikować swoje wyniki. Do „ Astrophysical Journal Letters” trafiły dwie notatki . W pierwszym Dicke i jego współpracownicy przedstawili znaczenie kosmicznego promieniowania tła jako uzasadnienia teorii Wielkiego Wybuchu. W drugiej notatce, podpisanej wspólnie przez Penziasa i Wilsona, zatytułowanej „Pomiar nadmiernej temperatury anteny przy 4080 megacyklach na sekundę”, poinformowali o istnieniu szczątkowego szumu tła 3,5 K, pozostającego po uwzględnieniu składnika absorpcji nieba o wartości 2,3 K. oraz komponent instrumentalny 0,9 K i przypisał „możliwe wyjaśnienie”, jak to podał Dicke w jego liście towarzyszącym.
W 1978 roku Penzias i Wilson otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za ich wykrywanie stawów. Dzielili nagrodę z Piotrem Kapitsą , który zdobył ją za niepowiązaną pracę. W 2019 roku Jim Peebles otrzymał również Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za odkrycia teoretyczne w kosmologii fizycznej”.
Bibliografia
- Aaronson, Steve (styczeń 1979). „Światło Stworzenia: Wywiad z Arno A. Penziasem i Robertem W. Wilsonem”. Rekord Laboratoriów Bell : 12-18.
- Abell, George O. (1982). Eksploracja Wszechświata. Wydanie 4 . Filadelfia: Saunders College Publishing.
- Asimov, Izaak (1982). Biograficzna Encyklopedia Nauki i Technologii Asimova. Wydanie drugie . Nowy Jork: Doubleday & Company, Inc.
- Bernstein Jeremy (1984). Trzy stopnie powyżej zera: Laboratoria Bell w erze informacji . Nowy Jork: Synowie Charlesa Scribnera. Numer ISBN 978-0-684-18170-7.
- Pędzel, Stephen G. (sierpień 1992). „Jak kosmologia stała się nauką”. Naukowy Amerykanin . 267 (2): 62–70. Kod Bibcode : 1992SciAm.267b..62B . doi : 10.1038/scientificamerican0892-62 .
- Chown, Marcus (29 września 1988). „Kosmiczny relikt w trzech stopniach”. Nowy naukowiec . 119 : 51–55. Kod Bibcode : 1988NewSc.119...51C .
- Crawford, AB; Hogg, DC; Hunt, LE (lipiec 1961). „Projekt Echo: antena róg-reflektor do komunikacji kosmicznej”. Dziennik techniczny systemu Bell : 1095–1099. doi : 10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x .
- Disney, Michael (1984). Ukryty wszechświat . Nowy Jork: Macmillan Publishing Company. Numer ISBN 978-0-02-531670-6.
- Ferris, Tymoteusz (1978). Czerwona granica: poszukiwanie krawędzi wszechświata. Wydanie drugie . Nowy Jork: Quill Press.
- Friedman, Herbert (1975). Niesamowity Wszechświat . Waszyngton, DC: National Geographic Society. Numer ISBN 978-0-87044-179-0.
- Hej, JS (1973). Ewolucja radioastronomii . Nowy Jork: Neale Watson Academic Publications, Inc. ISBN 978-0-88202-027-3.
- Jastrowa, Robert (1978). Bóg i astronomowie . Nowy Jork: WW Norton & Company, Inc. ISBN 978-0-393-01187-6.
- Kirby-Smith, HT (1976). Obserwatoria USA: katalog i przewodnik turystyczny . Nowy Jork: Van Nostrand Reinhold Company. Numer ISBN 978-0-442-24451-4.
- Uczeń, Richard (1981). Astronomia przez teleskop . Nowy Jork: Van Nostrand Reinhold Company. Numer ISBN 978-0-442-25839-9.
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- „ Antena tubowa do astronomii i astrofizyki ”. Służba Parku Narodowego, Departament Spraw Wewnętrznych.