Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου

Τι παρατηρείται;

1. Συνεχές υπόβαθρο ακτινοβολίας μελανού σώματος θερμοκρασίας 2.73Κ.

2. Ανισοτροπίες σε επίπεδο διάφορων πολυπόλων.

3. Μία ελαφρά πόλωση.

1. Το συνεχές αυτό υπόβαθρο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά αρκετά νωρίς. Ήδη από τη δεκαετία του '50 υπάρχουν καταγραφές σε ραδιοαστρονομικές παρατηρήσεις, κανείς όμως δεν μπήκε στον κόπο να αναζητήσει την αιτία αυτού του συνεχούς θορύβου. Το 1964-65 και ενώ η επιστημονική ομάδα του Dicke είχε προβλέψει αναλυτικά τις λεπτομέρειες αυτού του φαινομένου οι Penzias και Wilson παρατηρούν πρώτοι μια συνεχή, ισότροπη, χωρίς πόλωση, ακτινοβολία, χωρίς εγγενείς εποχιακές μεταβολές που αντιστοιχεί σε ένα μελανό σώμα θερμοκρασίας περίπου 3,5Κ. Παρατηρήσεις στη συνέχεια από τους δορυφόρους COBE και WMAP μετρούν με ακρίβεια τη θερμοκρασία στους 2,728Κ (Εικόνα 1α). Παράλληλα φαίνεται η επίδραση από τον Γαλαξία μας ο οποίος παρουσιάζει μια μεταβολή στο κέντρο της απεικόνισης, μιας και η ακτινοβολία υποβάθρου σκεδάζεται και αναμειγνύεται με τα γαλαξιακά ραδιοκύματα (Εικόνα 1γ).

2. Στην ακτινοβολία παρατηρούνται διάφορες ανισοτροπίες, δηλαδή μικρές θερμοκρασιακές μεταβολές ανάλογα με τη διεύθυνση στην οποία παρατηρούμε. Συγκεκριμένα: α) Ανισοτροπία διπόλου (Εικόνα 1β), αν παρατηρήσει κανείς ταυτόχρονα ολόκληρο τον ουρανό θα διαπιστώσει ότι προς τη μία διεύθυνση η ακτινοβολία υπόκειται μετατόπιση προς το ερυθρό ενώ προς την άλλη προς το κυανό, δίνοντας μια χαρακτηριστική διπολική μορφή στην ακτινοβολία. β) Ανισοτροπίες ανώτερης τάξης. Σε εικόνες ανάλυσης 7 μοιρών που έλαβε κατ' αρχάς ο COBE και 15' που έλαβε ο WMAP φαίνεται ότι σε ανώτερες τάξεις πολυπόλων εμφανίζεται μια ανισοτροπία. Λέγοντας πολύπολο ν-τάξης εννοούμε μια περιοδική μεταβολή η οποία αυξάνεται και μειώνεται ν φορές μέσα στην ουράνια σφαίρα (για παράδειγμα το δίπολο που αναφέραμε παραπάνω περιέχει μέσα στην ουράνια σφαίρα ένα μέγιστο και ένα ελάχιστο).

3. Πρόσφατες μετρήσεις (2002) από το πείραμα-παρατήρηση DASI στο νότιο πόλο αποκάλυψαν ότι όπως είχε προβλεφθεί από το 1968 από τον M.J. Rees η ακτινοβολία υποβάθρου θα είχε μια ελαφρά πόλωση.

Εικόνα 1. Τρεις λήψεις της κοσμικής ακτινοβολίας. α) Η ακτινοβολία φαίνεται απόλυτα ισότροπη με ακρίβεια 1/1000 β) Εμφάνιση διπολικής συμπεριφοράς λόγω της συμμετοχής της Γης σε διάφορα είδη κινήσεων γ) Διάφορες ανισοτροπίες. Η κεντρική κόκκινη γραμμή είναι το γαλαξιακό επίπεδο

Επιπτώσεις στην Κοσμολογία

1. Η πρώτη παρατήρηση της ύπαρξης ακτινοβολίας υποβάθρου έδωσε τέλος στη διαμάχη μεταξύ του μοντέλου της Σταθερής Κατάστασης και της Μεγάλης Έκρηξης με επιβεβαίωση του δευτέρου. Συγκεκριμένα ενώ το μοντέλο της Σταθερής Κατάστασης δεν έδινε κάποια πρόβλεψη για ενδεχόμενη ακτινοβολία υποβάθρου το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης ανέμενε κάτι τέτοιο.

Η δημιουργία της ακτινοβολίας υποβάθρου έγινε ως εξής: Τo σύμπαν όταν ήταν ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από ότι σήμερα, είχε θερμοκρασία περίπου 1.000.000 Κ, η θερμοκρασία αυτή αντιστοιχούσε σε φωτόνια υψηλής ενέργειας τα οποία εμπόδιζαν τη συνένωση ηλεκτρονίων και πρωτονίων ώστε να δημιουργηθούν σταθερά άτομα Υδρογόνου. Καθώς όμως η διαστολή προχωρούσε η θερμοκρασία έπεφτε, όπως εύκολα κανείς μπορεί να διαπιστώσει από θερμοδυναμικά επιχειρήματα. Όταν η θερμοκρασία έπεσε στις 50.000Κ η μέση ενέργεια των φωτονίων έφτανε το όριο της ενέργειας ιονισμού για το Υδρογόνο (13,6 eV). Παρόλα αυτά η αναλογία ηλεκτρονίων (ή πρωτονίων μιας και το σύμπαν είναι ηλεκτρικά ουδέτερο) προς τα φωτόνια είναι 1 προς 1 δισεκατομμύριο, επιπλέον τα φωτόνια ακολουθούν μια κατανομή Planck πράγμα που σημαίνει ότι ακόμη και εάν η μέση ενέργεια τους είναι λίγο μικρότερη από την ενέργεια ιονισμού ακόμη και τότε ένα μεγάλο μέρος τους θα έχουν αρκετά υψηλότερη ενέργεια ώστε να εμποδίσουν το σχηματισμό ουδετέρων ατόμων. Όταν όμως η θερμοκρασία έπεσε ακόμη περισσότερο και έφτασε τους 3000Κ, τότε η ενέργεια των φωτονίων, σε συνδυασμό με τον λόγο ηλεκτρονίων/φωτονίων και την κατανομή Planck ήταν όσα έπρεπε για να μπορέσουν να σχηματιστούν τα πρωτα ουδέτερα άτομα. Έχουμε λοιπόν δύο φαινόμενα: την αποσύζευξη (decoupling) και την επανασύνδεση (recombination). Από αυτή την περίοδο προέρχεται η ακτινοβολία υποβάθρου, δηλαδή τότε σκεδάστηκαν για τελευταία φορά τα φωτόνια της αρχικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του Σύμπαντος και έκτοτε ξεκίνησαν το ταξίδι τους. Το σύμπαν εκείνη την περίοδο είχε περίπου το 1/1000 των σημερινών του διαστάσεων, οπότε μετά τη διαστολή του κατά 1000 φορές εμφανίζεται το κοσμολογικό φαινόμενο Doppler (το οποίο ευθύνεται και για το γεγονός ότι οι απομακρυσμένοι γαλαξίες φαίνονται μετατοπισμένοι προς το ερυθρό) και παρατηρούμε ακτινοβολία χίλιες φορές ψυχρότερη δηλαδη 3Κ περίπου.

2. α) Η ακτινοβολία διπόλου δίνει μια ηχηρή θετική απάντηση στα ερωτήματα που διατύπωνε ο Mαχ και επηρέασαν τον Αϊνστάιν στη διατύπωση της σχετικότητας. Αναφορά γίνεται στο σύστημα "αδρανείας των απλανών αστέρων", προκειμένου να καταλάβουμε την έννοια του παραπάνω ας προσπαθήσουμε να δούμε τις σημαντικότερες κινήσεις που πραγματοποιεί η Γη: Περιστροφή γύρω από τον άξονα της, περιφορά γύρω από τον Ήλιο, κίνηση του Ήλιου ως προς το τοπικό σύστημα αδρανείας που ορίζεται από τα γειτονικά αστέρια, περιφορά των γειτονικών αστέρων γύρω από το κέντρο του Γαλαξία, ταλάντωση ως προς άξονα κάθετο στο επίπεδο του Γαλαξία, κίνηση προς το κέντρο μάζας της Τοπικής Ομάδας (μεταξύ του Γαλαξία και του γαλαξία της Ανδρομέδας), κοκ. Η άθροιση των παραπάνω κινήσεων και ο συνυπολογισμός τους μας δίνει μια ισότροπη εικόνα στην ακτινοβολία υποβάθρου μέχρι ακρίβειας 1/10000.

β) Αν και η Κοσμολογική Αρχή διατείνεται ότι το Σύμπαν είναι ισότροπο και ομογενές, σε μικρές και μεσαίες κλίμακες παρατηρούμε μια ανομοιογένεια, υπάρχουν γαλαξίες, Σμήνη γαλαξιών και Υπερσμήνη. Προφανώς αυτά από κάπου προήλθαν. Αν το σύμπαν ήταν άπειρα ομοιογενές και ισότροπο τότε σήμερα θα έπρεπε να ήταν απλά ένα αραιό σύννεφο Υδρογόνου, Ηλίου και ιχνών από βαρύτερα στοιχεία. Ο σπόρος αυτής της δομής ενυπάρχει στις ανισοτροπίες της Κοσμικής Ακτινοβολίας (Εικόνα 2). Όπως φαίνεται στην εικόνα που αναλύει δεδομένα από το WMAP σε κλίμακες κάτω των 2 μοιρών η ακτινοβολία παρουσιάζει θερμοκρασιακές μεταβολές. Οι μεταβολές αυτές είναι περίπου στο 1/100000 της θερμοκρασίας, είναι όμως αρκετές για να δώσουν τον σχηματισμό των γαλαξιών. Η ακτινοβολία όμως δεν θα παρουσιάζει συνεχώς τέτοιες διακυμάνσεις, κάτω από διαστάσεις ίσες με τη Κλίμακα του Σιλκ (Silk Scale). Συγκεκριμένα επειδή η αποσύζευξη και η επανασύνδεση δεν έγιναν στιγμιαία, κατά το χρόνο που μεσολάβησε η ακτινοβολία διήλθε από μια περιοχή του σύμπαντος με διαστάσεις Λ=c δτ, όπου c η ταχύτητα του φωτός και δτ ο χρόνος που χρειάστηκε για να ολοκληρωθεί η επανασύνδεση και η αποσύζευξη. Οπότε σε μικρές περιοχές που αντιστοιχούν σε γωνιώδεις αποστάσεις της τάξεως των λεπτών της μοίρας δε θα παρατηρείται κάποια ανισοτροπία αλλά ο μέσος όρος της θερμοκρασίας της περιοχής στην οποία αντιστοιχεί η παραπάνω γωνιώδης απόσταση, εκεί είναι και τα παρατηρησιακά όρια που τίθενται από την Αστροφυσική. Ο δορυφόρος Planck που πρόκειται να εκτοξευθεί τα προσεχή χρόνια θα έχει διακριτική ικανότητα μέχρι αυτές τις διαστάσεις.

Εικόνα 2. Οι ανισοτροπίες της ακτινοβολίας υποβάθρου. Σε υψηλή ανάλυση, κάτω των 2 μοιρών, είναι φανερή η ύπαρξη διακυμάνσεων. Οι διακυμάνσεις αυτές οδήγησαν στον σχηματισμό της δομής του Σύμπαντος.

3. Η πόλωση της ακτινοβολίας μικροκυμάτων προέρχεται από δύο παρόμοια φαινόμενα που συνέβησαν σε διαφορετικές περιόδους: κατά την αρχική της σκέδαση (εποχή αποσύζευξης και επανασύνδεσης) και κατά την εποχή του επανιονισμού. Και στις δύο περιπτώσεις η ακτινοβολία υφίσταται σκέδαση Thomson με αποτέλεσμα να παρουσιάζει κάποιο ποσοστό πόλωσης. Το εντυπωσιακό είναι ότι είχε προβλεφθεί 34 χρόνια πριν παρατηρηθεί.

Συνοψίζοντας η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου είναι ένα από τα ισχυρά θεμέλια της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης. Έχει μετρηθεί με ακρίβεια καθώς και οι μικρές μεταβολές της, οι οποίες απαντούν στο πρόβλημα της δομής του σύμπαντος. Το ερώτημα που παραμένει είναι ο ακριβής μηχανισμός των πρωτογενών διαταραχών στο σύμπαν που έδωσαν αυτές τις διακυμάνσεις. Επιπλέον αξίζει να σημειωθεί η σημασία της θεωρητικής έρευνας που προέβλεψε φαινόμενα που έμελλε να παρατηρηθούν πολύ αργότερα.