Universets bakgrunnsstråling

Oppdagelsen

På femtitalet bygde Bell Laboratories denne antennen i Holmdel, New Jersey for å prøva å senda  radiobølger over lange distansar. Seinare vart den gitt til astronomisk forsking.

I 1962, mens dei studerte radiobølger frå melkeveien, fann Arno Penzias og Robert Wilson ei forstyrrande støykjelde som ødela målingane deira, og som dei ikkje hadde nokon forklaring på. Det såg ikkje ut til å vera menneskelaga, og heller ikkje kom den frå sola eller noko planet eller andre kjente kjelder.

I 1965, kom Penzias over ein artikkel av Robert Dicke og andre forskarar frå Princeton, der dei beskreiv sin teori for universet utvikling. Denne teorien forutsa at universet måtte vera fylt av radiobølger som kom frå alle retningar, og som dei kalla kosmisk radiobølge bakgrunn.  Penzias forsto at det var dette som var forstyrrelsane i målingane frå antennen.

Penzias og Wilson fekk Nobelprisen i fysikk for denne oppdaginga i 1978. Men Dicke fekk ingenting....

Teori

På femtitalet var (lett omskrive frå Steven Weinbergs ord) studiet av det tidlige universet ikkje noko ein respektert fysikar ville bruka tid på, og teorien om Big Bang var omdiskutert. Men oppdagelsen til Penzias og Wilson, kombinert med Hubble sitt tidligare funn av universets utvidelse, gav sterk støtte til teorien. Big Bang modellen seier at universet starta for ca. 13,8 milliardar år sidan i ein veldig varm og tett tilstand og sidan den gong har det stadig utvida seg og blitt stadig kaldare.

I starten var universet fylt av fotoner, elektroner, protoner og heliumkjerner pluss ein liten del andre lette kjerner. Dette blir ofte kalla foton-baryon plasma. Då universet var 380 000 år gammalt vart dei frie elektronene fanga inn av kjernene, og vi fekk danna atomer. Dermed vart universet gjennomsiktig, og det er stråling frå denne perioden som vi ser i dag som bakgrunnsstråling. Det betyr at den strålingen a vi ser i dag er bilder frå universets barndom...

Eksperiment

For å få nøyaktige målingar av bakgrunnsstrålinga måtte ein over jordens atmosfære, og det var derfor NASA i 1989 skaut opp satelitten COBE (Cosmic Background Explorer) i 1989. I ei høgde av 900 km sirkla den rundt i fire år mens den gjorde målingar av denne strålinga. COBE hadde tre hovedinstrument, og dei to viktigaste var:

• FIRAS.
• DMR

Bakgrunnsstrålingens spektrum

FIRAS, som står for "Far-Infrared Absolute Spectrometer" skulle måla intensiteten av strålinga som ein funksjon av bølgelengda. Forskarane trudde at denne fordelinga burde sjå ut som ein Planck-kurve, altså at den likna på strålinga frå ein svart gjenstand. Dette var basert på tidlige målingar som viste at strålingen hadde ein topp for bølgelengder rundt 2 mm.

Dette er det FIRAS instrumentet målte:

Dette plottet frå Mather et al., ApJ 420, 439 (1994) viser DIFFERANSEN mellom COBE-målingane og den teoretiske blackbody spekteret. (Merk enheter på y-aksen).

Variasjonar i bakgrunnsstrålingen.

Tidlige målingar tyda på at bakgrunnstrålingen var isotrop, dvs. den hadde samme intensitet i alle retningar. Men for å testa dette med større nøyaktighet hadde COBE med DMR-instrumentet som står for Differential Microwave Radiometer. Gjennom fleire års målingar vart heile himmelen scanna, og ved å setja saman data kunne vitenskapsfolk finna variasjonar så små som 1 til 100,000.

Her er det DMR såg:

Den store raude stripa langs midten kjem av radiostråling frå melkeveien. Hvis vi trekkjer frå denne får vi dette bildet:

Bakgrunnstrålingen er altså anisotrop. Her ser vi variasjonar omkring 0.001 prosent, og det svarar til temperaturvariasjonar på pluss minus 0.0001 grader Kelvin.

Meir teori

Dette er dei ørsmå variasjonane som skuldast variasjonar i massefordelingen som eksisterte den gongen då universet var 380 000 år gammalt. Gravitasjonskraften seier at masse tiltrekk annan masse, slik at på stader der det er litt høgare massetetthet enn gjennomsnittlig vil det vera større gravitasjonskrefter slik at endå meir masse vil bli dradd mot disse stadene. Dermed vil igjen gravitasjonen bli sterkare, og vi har ein sjølvforsterkande prosess gåande. Det som opprinnelig var ørsmå ujevnheter i massefordelingen gir dermed opphav til dannelse av planeter, stjerner og all den enormt ujevne fordelinga som vi ser i universet.

Andre eksperiment

Det pågår fleire eksperiment som skal måla bakgrunnsstrålinga med betre oppløysing enn COBE. Eit av dei er  BOOMERANG,  som sender instrument opp frå sørpolen i ein ballong opp til 35 km høgde. Disse målingane gir oss bilder med ein oppløysning på omkring 0.2 grader, men dekkjer bare deler av himmelen. Data frå BOOMERANG gir støtte til den såkalte MOND-teorien (Modified Newtonian Dynamics) som forklarer universets dynamikk uten mørk materie, men som avvik frå den Newtonske gravitasjonsloven.

Eit anna prosejkt er MAXIMA, som har målt variasjoner som er ganske tilsvarande det BOOMERANG har målt.

Tilslutt er det MAP satellitten som dekkjer heile himmelen med ein oppløysing på mellom 1 og 0.2 grader avhengig av bølgelengde.