NỀN VI SóNG VŨ TRỤ Là Gì?

Send

Trong hàng ngàn năm, con người đã suy ngẫm về Vũ trụ và tìm cách xác định mức độ thực sự của nó. Đến thế kỷ 20, các nhà khoa học bắt đầu hiểu vũ trụ thực sự rộng lớn (và thậm chí là không có hồi kết).

Và trong quá trình nhìn xa hơn vào không gian, và quay ngược thời gian, các nhà vũ trụ học đã phát hiện ra một số điều thực sự tuyệt vời. Ví dụ, trong những năm 1960, các nhà thiên văn học đã biết về bức xạ nền vi sóng có thể phát hiện được ở mọi hướng. Được biết đến như là nền vi sóng vũ trụ (CMB), sự tồn tại của bức xạ này đã giúp thông báo cho sự hiểu biết của chúng ta về cách thức Vũ trụ bắt đầu.

Sự miêu tả:

CMB về cơ bản là bức xạ điện từ còn sót lại từ thời đại vũ trụ sớm nhất thấm vào toàn bộ Vũ trụ. Nó được cho là đã hình thành khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn và chứa đựng những chỉ dẫn tinh tế về cách các ngôi sao và thiên hà đầu tiên hình thành. Trong khi bức xạ này là vô hình khi sử dụng kính viễn vọng quang học, kính viễn vọng vô tuyến có thể phát hiện tín hiệu mờ (hoặc phát sáng) mạnh nhất trong vùng vi sóng của phổ vô tuyến.

CMB có thể nhìn thấy ở khoảng cách 13,8 tỷ năm ánh sáng ở mọi hướng từ Trái đất, các nhà khoa học hàng đầu xác định rằng đây là thời đại thực sự của Vũ trụ. Tuy nhiên, nó không phải là một dấu hiệu cho thấy mức độ thực sự của Vũ trụ. Cho rằng không gian đã ở trong trạng thái giãn nở kể từ Vũ trụ sơ khai (và đang mở rộng nhanh hơn tốc độ ánh sáng), CMB chỉ đơn thuần là khoảng thời gian xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy.

Mối quan hệ với Big Bang:

CMB là trung tâm của Lý thuyết Big Bang và các mô hình vũ trụ hiện đại (như mô hình Lambda-CDM). Theo lý thuyết, khi Vũ trụ ra đời cách đây 13,8 tỷ năm, mọi vật chất đều ngưng tụ trên một điểm có mật độ vô hạn và nhiệt độ cực cao. Do nhiệt độ cực cao và mật độ vật chất, trạng thái của Vũ trụ rất không ổn định. Đột nhiên, điểm này bắt đầu mở rộng, và Vũ trụ như chúng ta biết đã bắt đầu.

Tại thời điểm này, không gian tràn ngập ánh sáng đồng đều của các hạt plasma nóng trắng - bao gồm các proton, neutron, electron và photon (ánh sáng). Trong khoảng 380.000 đến 150 triệu năm sau Vụ nổ lớn, các photon liên tục tương tác với các electron tự do và không thể di chuyển quãng đường dài. Do đó, tại sao thời đại này lại được gọi một cách thông tục là Thời kỳ đen tối.

Khi Vũ trụ tiếp tục giãn nở, nó nguội dần đến mức các electron có thể kết hợp với các proton để tạo thành các nguyên tử hydro (hay còn gọi là Thời kỳ tái hợp). Khi không có các electron tự do, các photon có thể di chuyển không bị cản trở trong Vũ trụ và nó bắt đầu xuất hiện như ngày nay (tức là trong suốt và được ánh sáng thấm qua). Trải qua hàng tỷ năm can thiệp, Vũ trụ tiếp tục mở rộng và hạ nhiệt rất nhiều.

Do sự giãn nở của không gian, các bước sóng của các photon đã tăng (trở thành ‘dịch chuyển đỏ) lên khoảng 1 milimet và nhiệt độ hiệu quả của chúng giảm xuống chỉ trên 0 tuyệt đối - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Các photon này lấp đầy Tạp chí Không gian và xuất hiện dưới dạng phát sáng nền có thể được phát hiện trong các bước sóng hồng ngoại và sóng vô tuyến.

Lịch sử học tập:

Sự tồn tại của CMB lần đầu tiên được lý thuyết hóa bởi nhà vật lý người Mỹ gốc Ukraine George Gamow, cùng với các sinh viên của ông, Ralph Alpher và Robert Herman, vào năm 1948. Lý thuyết này dựa trên các nghiên cứu về hậu quả của quá trình tổng hợp hạt nhân của các nguyên tố ánh sáng (hydro, heli và lithium) trong vũ trụ rất sớm. Về cơ bản, họ nhận ra rằng để tổng hợp hạt nhân của các nguyên tố này, Vũ trụ sơ khai cần phải cực kỳ nóng.

Họ còn đưa ra giả thuyết rằng bức xạ còn sót lại từ thời kỳ cực kỳ nóng này sẽ thấm vào Vũ trụ và có thể phát hiện được. Do sự giãn nở của Vũ trụ, họ ước tính rằng bức xạ nền này sẽ có nhiệt độ thấp 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - chỉ cao hơn 5 độ so với độ không tuyệt đối - tương ứng với bước sóng vi sóng. Cho đến năm 1964, bằng chứng đầu tiên về CMB đã được phát hiện.

Đây là kết quả của các nhà thiên văn học người Mỹ Arno Penzias và Robert Wilson sử dụng máy đo phóng xạ Dicke mà họ dự định sử dụng cho các thí nghiệm thiên văn vô tuyến và vệ tinh. Tuy nhiên, khi tiến hành phép đo đầu tiên, họ nhận thấy vượt quá nhiệt độ ăng-ten 4.2K mà họ không thể giải thích và chỉ có thể được giải thích bằng sự hiện diện của bức xạ nền. Vì khám phá của họ, Penzias và Wilson đã được trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 1978.

Ban đầu, việc phát hiện CMB là nguồn tranh cãi giữa những người đề xuất các lý thuyết vũ trụ học khác nhau. Trong khi những người ủng hộ Lý thuyết Vụ nổ lớn tuyên bố rằng đây là bức xạ di tích của người Hồi giáo còn sót lại từ Vụ nổ lớn, những người ủng hộ Lý thuyết Nhà nước ổn định lập luận rằng đó là kết quả của ánh sao rải rác từ các thiên hà xa xôi. Tuy nhiên, đến thập niên 1970, một sự đồng thuận khoa học đã xuất hiện ủng hộ cách giải thích của Big Bang.

Trong những năm 1980, các thiết bị trên mặt đất đặt giới hạn ngày càng nghiêm ngặt về sự chênh lệch nhiệt độ của CMB. Chúng bao gồm nhiệm vụ RELIKT-1 của Liên Xô trên vệ tinh Prognoz 9 (được phóng vào tháng 7 năm 1983) và nhiệm vụ thám hiểm nền vũ trụ của NASA (COBE) (người phát hiện ra được xuất bản năm 1992). Với công việc của họ, nhóm nghiên cứu của COBE đã nhận được giải thưởng Nobel về vật lý năm 2006.

COBE cũng đã phát hiện đỉnh âm thanh đầu tiên của CMB, dao động âm trong plasma tương ứng với các biến thiên mật độ quy mô lớn trong vũ trụ sơ khai được tạo ra bởi sự bất ổn định của lực hấp dẫn. Nhiều thí nghiệm tiếp theo trong thập kỷ tiếp theo, bao gồm các thí nghiệm trên mặt đất và bóng bay với mục đích cung cấp các phép đo chính xác hơn về đỉnh âm thanh đầu tiên.

Đỉnh âm thanh thứ hai được phát hiện tạm thời bởi một số thí nghiệm, nhưng không được phát hiện dứt khoát cho đến khi Đầu dò bất đẳng hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) được triển khai vào năm 2001. Giữa năm 2001 và 2010, khi nhiệm vụ được kết thúc, WMAP cũng đã phát hiện đỉnh thứ ba. Kể từ năm 2010, nhiều nhiệm vụ đã theo dõi CMB để cung cấp các phép đo cải thiện về sự phân cực và sự thay đổi quy mô nhỏ về mật độ.

Chúng bao gồm các kính viễn vọng trên mặt đất như QUEST tại DASI (QUaD) và Kính viễn vọng Nam Cực tại Trạm cực Nam Amudsen-Scott, và Kính viễn vọng vũ trụ Atacama và Kính viễn vọng hình ảnh Q / U (QUIET) ở Chile. Trong khi đó, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu Planck tàu vũ trụ tiếp tục đo CMB từ không gian.

Tương lai của CMB:

Theo các lý thuyết vũ trụ khác nhau, Vũ trụ có thể tại một thời điểm nào đó ngừng mở rộng và bắt đầu đảo ngược, đỉnh điểm là sự sụp đổ theo sau là một Vụ nổ lớn khác - aka. lý thuyết Big Crunch. Trong một kịch bản khác, được gọi là Big Rip, sự mở rộng của Vũ trụ cuối cùng sẽ dẫn đến mọi vật chất và chính không thời gian bị xé toạc.

Nếu cả hai kịch bản này đều không chính xác và Vũ trụ tiếp tục mở rộng với tốc độ tăng tốc, CMB sẽ tiếp tục dịch chuyển đến điểm không thể phát hiện được nữa. Tại thời điểm này, nó sẽ bị vượt qua bởi ánh sáng sao đầu tiên được tạo ra trong Vũ trụ, và sau đó bởi các trường bức xạ nền được tạo ra bởi các quá trình được giả định sẽ diễn ra trong tương lai của Vũ trụ.

Chúng tôi đã viết nhiều bài viết thú vị về Bối cảnh vi sóng vũ trụ ở đây tại Tạp chí Vũ trụ. Ở đây, một bức xạ nền vi sóng vũ trụ là gì?, Lý thuyết Big Bang: Sự phát triển của vũ trụ của chúng ta, Lạm phát vũ trụ là gì? Nhiệm vụ tìm hiểu vũ trụ sớm nhất, Khám phá cột mốc: Kết quả mới cung cấp bằng chứng trực tiếp cho lạm phát vũ trụ và vũ trụ mở rộng nhanh như thế nào? Hubble và Gaia hợp tác để tiến hành các phép đo chính xác nhất cho đến nay.

Để biết thêm thông tin, hãy xem trang nhiệm vụ WMAP của NASA và trang nhiệm vụ ESA từ Planck.

Cast Astronomy Cast cũng có thông tin về chủ đề này. Nghe tại đây: Tập 5 - Bối cảnh lò vi sóng lớn và vũ trụ

Nguồn: