29.4: Background ya microwave ya Cos

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
176819
Save as PDF
- 29.3: Mwanzo wa Ulimwengu
- 29.5: Ulimwengu umefanywa kwa kweli?

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza kwa nini tunaweza kuchunguza ufuatiliaji wa ulimwengu wa moto, mapema
Jadili mali ya ufuatiliaji huu kama tunavyoona leo, ikiwa ni pamoja na joto lake la wastani na ukubwa wa kushuka kwa joto lake.
Eleza ulimwengu wa wazi, gorofa, na wenye rangi na ueleze ni aina gani ya ulimwengu inayoungwa mkono na uchunguzi
Kufupisha ujuzi wetu wa sasa wa mali ya msingi ya ulimwengu ikiwa ni pamoja na umri wake na yaliyomo

Maelezo ya dakika chache za kwanza za ulimwengu ni msingi wa mahesabu ya kinadharia. Ni muhimu, hata hivyo, kwamba nadharia ya kisayansi inapaswa kuwa testable. Ni utabiri gani unaofanya? Na uchunguzi unaonyesha utabiri huo kuwa sahihi? Mafanikio moja ya nadharia ya dakika chache za kwanza za ulimwengu ni utabiri sahihi wa kiasi cha heliamu katika ulimwengu.

Utabiri mwingine ni kwamba hatua muhimu katika historia ya ulimwengu ilitokea miaka 380,000 baada ya Big Bang. Wanasayansi wameona moja kwa moja kile ulimwengu ulikuwa kama hatua hii ya mwanzo, na uchunguzi huu hutoa msaada mkubwa zaidi kwa nadharia ya Big Bang. Ili kujua ni nini hatua hii ilikuwa, hebu tuangalie nadharia gani inatuambia kuhusu kile kilichotokea wakati wa miaka mia moja baada ya Big Bang.

Fusion ya heliamu na lithiamu ilikamilishwa wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa dakika 4. Ulimwengu uliendelea kufanana na mambo ya ndani ya nyota kwa namna fulani kwa miaka mia chache elfu zaidi. Ilibakia moto na opaque, huku mionzi ikatawanyika kutoka chembe moja hadi nyingine. Ilikuwa bado moto mno kwa elektroni “kukaa chini” na kuhusishwa na kiini fulani; elektroni hizo za bure zina ufanisi hasa katika kutawanya fotoni, hivyo kuhakikisha kwamba hakuna mionzi iliyowahi kupata mbali sana katika ulimwengu wa mapema bila kuwa na njia yake iliyopita. Kwa njia, ulimwengu ulikuwa kama umati mkubwa baada ya tamasha maarufu; ikiwa unatenganishwa na rafiki, hata kama amevaa kifungo cha kuangaza, haiwezekani kuona kupitia umati mkubwa ili kumwona. Tu baada ya umati wa watu kufuta kuna njia ya mwanga kutoka kifungo chake kufikia wewe.

Ulimwengu unakuwa wazi

Si hadi miaka mia chache baada ya Big Bang, wakati joto ilikuwa imeshuka kwa karibu 3000 K na wiani wa viini atomiki kwa karibu 1000 kwa sentimita za ujazo, je elektroni na viini kusimamia kuchanganya kuunda atomi imara ya hidrojeni na heliamu (Kielelezo $29.3.4$ katika sehemu iliyopita. Kwa kuwa hakuna elektroni za bure za kueneza photoni, ulimwengu ukawa wazi kwa mara ya kwanza katika historia ya cosmic. Kutoka hatua hii, suala na mionzi iliingiliana mara nyingi sana; tunasema kwamba walitengana na kila mmoja na kubadilishwa tofauti. Ghafla, mionzi ya umeme inaweza kweli kusafiri, na imekuwa kusafiri kupitia ulimwengu tangu wakati huo.

Ugunduzi wa Mionzi ya Background ya

Kama mfano wa ulimwengu ilivyoelezwa katika sehemu ya awali ni sahihi, basi - kama sisi kuangalia mbali nje katika ulimwengu na hivyo mbali nyuma katika wakati-kwanza “baada ya mwanga” wa moto, ulimwengu mapema lazima bado detectable. Uchunguzi wa hilo utakuwa ushahidi mkubwa sana kwamba mahesabu yetu ya kinadharia kuhusu jinsi ulimwengu ulivyobadilika ni sahihi. Kama tutaona, tuna kweli wanaona mionzi lilio katika wakati huu photon decoupling, wakati mionzi alianza mkondo uhuru kwa njia ya ulimwengu bila kuingiliana na jambo (Kielelezo $\PageIndex{1}$ ).

alt — Kielelezo $\PageIndex{1}$ Cosmic Microwave Background na ma (a) Mapema ulimwenguni, photoni (nishati ya umeme) zilikuwa zikisambaza chembe zilizojaa watu, za moto, za kushtakiwa na hazikuweza kupata mbali sana bila kugongana na chembe nyingine. Lakini baada ya elektroni na photoni kukaa ndani ya atomi zisizo na upande, kulikuwa na kusambaza kidogo, na photoni zinaweza kusafiri umbali mkubwa. Ulimwengu ukawa wazi. Kama sisi kuangalia nje katika nafasi na nyuma katika wakati, hatuwezi kuona nyuma zaidi ya wakati huu. (b) Hii ni sawa na kile kinachotokea tunapoona mawingu katika anga ya Dunia. Maji matone katika wingu kuwatawanya mwanga kwa ufanisi sana, lakini hewa wazi inakuwezesha mwanga kusafiri juu ya umbali mrefu. Kwa hiyo tunapoangalia angahewa, maono yetu yamezuiwa na tabaka za wingu na hatuwezi kuona zaidi ya hayo.

Kugundua baada ya kufufua hii ilikuwa awali ajali. Mwishoni mwa miaka ya 1940, Ralph Alpher na Robert Herman, wakifanya kazi na George Gamow, waligundua kwamba kabla ya ulimwengu kuwa wazi, ni lazima kuwa umekuwa ukiwaka kama blackbody kwenye joto la takriban 3000 K—joto ambalo atomi za hidrojeni zinaweza kuanza kuunda. Kama tungeweza kuona kwamba mionzi tu baada ya atomi zisizo na upande wowote sumu, ingekuwa sawa na mionzi kutoka nyota nyekundu. Ilikuwa kama fireball kubwa kujazwa ulimwengu wote.

Lakini hiyo ilikuwa karibu miaka bilioni 14 iliyopita, na, wakati huo huo, ukubwa wa ulimwengu umeongezeka mara elfu. Upanuzi huu umeongeza wavelength ya mionzi kwa sababu ya 1000 (angalia Kielelezo $29.2.6$ katika Sehemu ya 29.2). Kwa mujibu wa sheria ya Wien, ambayo inahusiana na wavelength na joto, upanuzi huo umepungua joto kwa sababu ya 1000 (tazama sura ya Mionzi na Spectra).

Alpher na Herman alitabiri kwamba mwanga kutoka fireball lazima sasa kuwa katika wavelengths redio na lazima kufanana mionzi kutoka blackbody katika joto digrii chache tu juu ya sifuri kabisa. Kwa kuwa fireball ilikuwa kila mahali ulimwenguni kote, mionzi iliyoachwa kutoka kwao inapaswa pia kuwa kila mahali. Ikiwa macho yetu yalikuwa nyeti kwa wavelengths ya redio, anga nzima ingeonekana kuangaza sana. Hata hivyo, macho yetu hawezi kuona katika wavelengths hizi, na wakati Alpher na Herman walifanya utabiri wao, hapakuwa na vyombo vinavyoweza kuchunguza mwanga. Kwa miaka mingi, utabiri wao ulisahau.

Katikati ya miaka ya 1960, huko Holmdel, New Jersey, Arno Penzias na Robert Wilson wa AT & T ya Bell Laboratories walikuwa wamejenga antenna ya microwave yenye maridadi (Kielelezo $\PageIndex{2}$ ) kupima vyanzo vya astronomical, ikiwa ni pamoja na mabaki ya supanova kama Cassiopeia A (tazama sura juu ya Kifo cha Stars). Walikuwa kusumbuliwa na baadhi zisizotarajiwa background kelele, kama tuli kukata tamaa kwenye redio, ambayo hawakuweza kujikwamua. Jambo la kushangaza kuhusu mionzi hii ni kwamba ilionekana kuwa inakuja kutoka pande zote mara moja. Hii ni isiyo ya kawaida sana katika astronomia: baada ya yote, mionzi mingi ina mwelekeo maalum ambapo ni nguvu-mwelekeo wa Jua, au mabaki ya supanova, au diski ya Njia ya Milky, kwa mfano.

alt — Kielelezo $\PageIndex{2}$ Robert Wilson (kushoto) na Arno Penzias (kulia). Wanasayansi hawa wawili wamesimama mbele ya antenna ya umbo la pembe ambayo waligundua mionzi ya asili ya cosmic. Picha ilichukuliwa mwaka wa 1978, baada ya kupokea Tuzo ya Nobel katika fizikia.

Penzias na Wilson walidhani mwanzoni kwamba mionzi yoyote inayoonekana inatoka pande zote lazima itoke ndani ya darubini yao, hivyo walichukua kila kitu mbali ili kutafuta chanzo cha kelele. Hata waligundua kwamba baadhi ya njiwa zilikuwa zimeongezeka ndani ya antenna kubwa ya pembe na zimeondoka (kama Penzias alivyoiweka vizuri) “safu ya dutu nyeupe, fimbo, dielectric mipako ndani ya antenna.” Hata hivyo, hakuna kitu ambacho wanasayansi walichofanya kinaweza kupunguza mionzi ya asili hadi sifuri, na kwa kusita walikuja kukubali kwamba ni lazima iwe halisi, na lazima iwe kutoka nafasi.

Penzias na Wilson hawakuwa cosmologists, lakini walipoanza kujadili ugunduzi wao wa kushangaza na wanasayansi wengine, waliwasiliana haraka na kundi la wanaastronomia na fizikia katika Chuo Kikuu cha Princeton (umbali mfupi wa gari). Wanaastronomia hawa walikuwa na - kama ilivyotokea-wamekuwa wakirudia mahesabu ya Alpher na Herman kutoka miaka ya 1940 na pia waligundua kwamba mionzi kutoka wakati wa kupasuka inapaswa kuonekana kama ufuatiliaji wa mawimbi ya redio. Mahesabu tofauti ya kile joto lililoonekana lingekuwa kwa asili hii ya microwave ya cosmic (CMB) ^{1 haikuwa} na uhakika, lakini wote walitabiri chini ya 40 K.

Penzias na Wilson walipata usambazaji wa kiwango katika wavelengths tofauti za redio ili kuendana na halijoto ya 3.5 K. hii ni baridi sana—karibu na sifuri kabisa kuliko vipimo vingine vingi vya astronomia-na ushahidi wa kiasi gani cha nafasi (na mawimbi ndani yake) yametambulisha. Vipimo vyao vimerudiwa na vyombo bora zaidi, ambavyo vinatupa usomaji wa 2.73 K. Hivyo Penzias na Wilson wakaja karibu sana. Kuzunguka thamani hii, wanasayansi mara nyingi hutaja “background ya microwave ya 3-shahada.”

Majaribio mengine mengi duniani na katika nafasi hivi karibuni alithibitisha ugunduzi na Penzias na Wilson: Mionzi ilikuwa kweli kuja kutoka pande zote (ilikuwa isotropic) na kuendana na utabiri wa nadharia ya Big Bang na usahihi wa ajabu. Penzias na Wilson walikuwa inadvertently aliona mwanga kutoka fireball primeval. Walipokea Tuzo ya Nobel kwa kazi yao mwaka 1978. Na kabla ya kifo chake mwaka 1966, Lemaître alijifunza kwamba “uzuri wake uliotoweka” ulikuwa umegunduliwa na kuthibitishwa.

Unaweza kufurahia kutazama Tatu Degrees, video ya dakika 26 kutoka kwa Bell Labs kuhusu ugunduzi wa Penzias na Wilson wa mionzi ya asili ya cosmic (yenye picha za kihistoria zinazovutia).

Mali ya asili ya microwave ya Cosmic

Suala moja ambalo lilikuwa na wasiwasi wanaastronomia ni kwamba Penzias na Wilson walikuwa wakipima mionzi ya asili inayojaza nafasi kupitia angahewa ya dunia. Je, ikiwa angahewa hiyo ni chanzo cha mawimbi ya redio au kwa namna fulani iliathiri vipimo vyao? Ingekuwa bora kupima kitu hiki muhimu kutoka nafasi.

Vipimo vya kwanza sahihi vya CMB vilifanywa na satellite inayozunguka Dunia. Aitwaye Cosmic Background Explorer (COBE), ilizinduliwa na NASA mnamo Novemba 1989. Takwimu zilizopokea haraka zilionyesha kuwa CMB inafanana kwa karibu na ambayo inatarajiwa kutoka kwa blackbody na joto la 2.73 K (Kielelezo $\PageIndex{3}$ ). Hii ni hasa matokeo yanayotarajiwa kama CMB ilikuwa kweli red-kubadilishwa mionzi lilio na gesi ya moto kwamba kujazwa wote wa nafasi muda mfupi baada ya ulimwengu kuanza.

Kielelezo $\PageIndex{3}$ Cosmic Background Mstari imara unaonyesha jinsi ukubwa wa mionzi inapaswa kubadilika kwa wavelength kwa blackbody na joto la 2.73 K. masanduku yanaonyesha ukubwa wa mionzi ya asili ya cosmic kama ilivyopimwa kwa wavelengths mbalimbali na vyombo vya COBE. Fit ni kamilifu. Wakati grafu hii ilipoonyeshwa mara ya kwanza kwenye mkutano wa wanaastronomia, walitoa ovation ya kusimama.

Hitimisho la kwanza muhimu kutoka kwa vipimo vya CMB, kwa hiyo, ni kwamba ulimwengu tunao leo umebadilika kutoka hali ya moto, sare. Uchunguzi huu pia hutoa msaada wa moja kwa moja kwa wazo la jumla kwamba tunaishi katika ulimwengu unaobadilika, kwani ulimwengu ni baridi leo kuliko ilivyokuwa mwanzoni.

Tofauti ndogo katika CMB

Ilijulikana hata kabla ya uzinduzi wa COBE kwamba CMB ni isotropic sana. Kwa kweli, sare yake katika kila mwelekeo ni moja ya uthibitisho bora wa kanuni ya cosmological— kwamba ulimwengu ni homogenous na isotropic.

Kwa mujibu wa nadharia zetu, hata hivyo, hali ya joto haikuweza kuwa sare kabisa wakati CMB ilipotolewa. Baada ya yote, CMB ni mionzi iliyotawanyika kutoka kwa chembe za ulimwengu wakati wa kupungua. Ikiwa mionzi ilikuwa laini kabisa, basi chembe hizo zote zinapaswa kusambazwa kupitia nafasi kabisa sawasawa. Hata hivyo ni chembe hizo ambazo zimekuwa galaxi zote na nyota (na wanafunzi wa astronomia) ambazo sasa zinaishi katika ulimwengu. Kama chembe zimesambazwa vizuri kabisa, hawakuweza kuunda miundo yote mikubwa sasa sasa katika ulimwengu - makundi na superclusters ya galaxies kujadiliwa katika sura chache zilizopita.

Ulimwengu wa mapema lazima uwe na mabadiliko madogo ya wiani ambayo miundo kama hiyo inaweza kubadilika. Mikoa ya wiani wa juu kuliko wastani ingekuwa imevutia mambo ya ziada na hatimaye imeongezeka katika galaxi na makundi tunayoyaona leo. Inageuka kuwa mikoa hii ya denser itaonekana kwetu kuwa matangazo ya baridi, yaani, ingekuwa na joto la chini-kuliko-wastani.

Sababu ya kuwa joto na wiani ni kuhusiana inaweza kuelezwa kwa njia hii. Wakati wa kupungua, photoni katika sehemu kidogo ya denser ya nafasi ilipaswa kutumia baadhi ya nishati zao ili kuepuka nguvu ya mvuto inayotumiwa na gesi inayozunguka. Katika kupoteza nishati, photons ikawa baridi zaidi kuliko wastani wa joto wakati wa kupungua. Kinyume chake, photons ambazo zilikuwa ziko katika sehemu ndogo ndogo ya nafasi zilipoteza nishati kidogo juu ya kuacha kuliko photons nyingine, hivyo zinaonekana kuwa moto zaidi kuliko wastani. Kwa hiyo, kama mbegu za galaxi za sasa zilikuwepo wakati ambapo CMB ilitolewa, tunapaswa kuona tofauti kidogo katika joto la CMB tunapoangalia kwa njia tofauti angani.

Wanasayansi wanaofanya kazi na data kutoka kwa satellite ya COBE walitambua tofauti za joto la hila sana-kuhusu sehemu 1 katika 100,000-katika CMB. Mikoa ya joto la chini-kuliko-wastani huja kwa ukubwa wa aina mbalimbali, lakini hata maeneo madogo zaidi ya baridi yanayogunduliwa na COBE ni mbali sana kuwa mtangulizi wa galaxi ya mtu binafsi, au hata galaxi kubwa ya galaxi. Hii ni kwa sababu chombo cha COBE kilikuwa na “maono ya blurry” (azimio duni) na inaweza kupima tu patches kubwa za angani. Tulihitaji vyombo na “maono makali.”

Vipimo vya kina zaidi vya CMB vimepatikana kwa satelaiti mbili zilizinduliwa hivi karibuni kuliko COBE. Matokeo ya kwanza ya satelaiti hizi, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) spacecraft, zilichapishwa mwaka 2003. The 2015, vipimo kutoka Planck satellite kupanuliwa vipimo WMAP kwa azimio hata juu anga na kelele chini (Kielelezo $\PageIndex{4}$ ).

alt — Kielelezo $\PageIndex{4}$ CMB Uchunguzi. Ulinganisho huu unaonyesha ni kiasi gani cha kina kinachoweza kuonekana katika uchunguzi wa satelaiti tatu zinazotumiwa kupima CMB. CMB ni picha ya mwanga wa zamani kabisa katika ulimwengu wetu, iliyochapishwa mbinguni wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka 380,000. Anga ya kwanza, ilizinduliwa mwaka 1989, ni NASA Cosmic Background Explorer, au COBE. WMAP ilizinduliwa mwaka 2001, na Planck ilizinduliwa mwaka 2009. Paneli tatu zinaonyesha patches za mraba 10 za ramani zote za anga. Picha hii ya mionzi ya asili ya cosmic (chini) ni ramani yote ya anga ya CMB kama inavyoonekana na ujumbe wa Planck. Rangi katika ramani inawakilisha joto tofauti: nyekundu kwa joto na bluu kwa baridi. Mabadiliko haya madogo ya joto yanahusiana na mikoa ya msongamano tofauti kidogo, inayowakilisha mbegu za miundo yote ya baadaye: nyota, galaxi, na makundi ya galaxi ya leo.

Mahesabu ya kinadharia yanaonyesha kwamba ukubwa wa matangazo ya moto na baridi katika CMB hutegemea jiometri ya ulimwengu na hivyo juu ya wiani wake wote. (Siyo wazi kabisa kwamba ni lazima kufanya hivyo, na inachukua baadhi ya mahesabu pretty dhana-njia zaidi ya kiwango cha maandishi yetu-kufanya uhusiano, lakini kuwa na utegemezi vile ni muhimu sana.) Uzito wa jumla tunayojadili hapa unajumuisha kiasi cha wingi katika ulimwengu na sawa na wingi wa nishati ya giza. Hiyo ni lazima tuongeze pamoja wingi na nishati: jambo la kawaida, suala la giza, na nishati ya giza inayoharakisha upanuzi.

Kuona ni kwa nini kazi hii, kumbuka (kutoka sura ya Black Holes na Curved Spacetime) kwamba kwa nadharia yake ya jumla relativity, Einstein ilionyesha kuwa jambo inaweza Curve nafasi na kwamba kiasi cha curvature inategemea kiasi cha jambo sasa. Kwa hiyo, jumla ya suala katika ulimwengu (ikiwa ni pamoja na suala la giza na mchango sawa na nishati ya giza), huamua jiometri ya jumla ya nafasi. Kama vile jiometri ya nafasi karibu na shimo nyeusi ina curvature yake, hivyo ulimwengu wote unaweza kuwa na curvature. Hebu tuangalie uwezekano (Kielelezo $\PageIndex{5}$ ).

Ikiwa wiani wa suala ni kubwa zaidi kuliko wiani muhimu, ulimwengu hatimaye utaanguka. Katika ulimwengu kama huo uliofungwa, mionzi miwili ya sambamba ya mwanga hatimaye itakutana. Aina hii ya jiometri inajulikana kama jiometri ya spherical. Ikiwa wiani wa suala ni chini ya muhimu, ulimwengu utapanua milele. Mionzi miwili ya sambamba ya mwanga itapungua, na hii inajulikana kama jiometri ya hyperbolic. Katika ulimwengu wa wiani muhimu, mionzi miwili ya sambamba haipatikani kamwe, na upanuzi unakuja kusitishwa tu kwa wakati fulani usio na mwisho katika siku zijazo. Tunataja hili kama ulimwengu wa gorofa, na aina ya jiometri ya Euclidean uliyojifunza katika shule ya sekondari inatumika katika aina hii ya ulimwengu.

alt — Kielelezo $\PageIndex{5}$ Picturing Nafasi Curvature kwa ulimwengu mzima. Uzito wa suala na nishati huamua jiometri ya jumla ya nafasi. Ikiwa wiani wa ulimwengu ni mkubwa zaidi kuliko wiani muhimu, basi ulimwengu utaanguka hatimaye na nafasi inasemekana imefungwa kama uso wa nyanja. Ikiwa wiani ni sawa na wiani muhimu, basi nafasi ni gorofa kama karatasi; ulimwengu utapanua milele, na kiwango cha upanuzi kinakuja kusitishwa kwa mbali sana katika siku zijazo. Kama wiani ni chini ya muhimu, basi upanuzi itaendelea milele na nafasi inasemekana kuwa wazi na vibaya ikiwa kama uso wa saruji (ambapo nafasi zaidi kuliko unatarajia kufungua kama wewe hoja mbali). Kumbuka kuwa mistari nyekundu katika kila mchoro huonyesha kinachotokea katika kila aina ya nafasi—ni awali sambamba lakini hufuata njia tofauti kulingana na ukingo wa nafasi. Kumbuka kwamba michoro hizi zinajaribu kuonyesha jinsi nafasi ya ulimwengu mzima “imepigwa” —hii haiwezi kuonekana ndani ya nchi kwa kiasi kidogo cha nafasi tunayoshikilia sisi wanadamu.

Kama wiani wa ulimwengu ni sawa na wiani muhimu, basi moto na baridi matangazo katika CMB lazima kawaida kuwa juu ya shahada katika ukubwa. Ikiwa wiani ni mkubwa kuliko muhimu, basi ukubwa wa kawaida utakuwa mkubwa kuliko shahada moja. Ikiwa ulimwengu una wiani chini ya muhimu, basi miundo itaonekana ndogo. Katika Kielelezo $\PageIndex{6}$ , unaweza kuona tofauti kwa urahisi. WMAP na Planck uchunguzi wa CMB alithibitisha majaribio mapema kwamba sisi kweli kuishi katika gorofa, muhimu wiani ulimwengu.

alt — Kielelezo $\PageIndex{6}$ Kulinganisha ya CMB Uchunguzi na Mifano Inawezekana ya Ulimwengu. Uigaji wa cosmological unatabiri kwamba kama ulimwengu wetu una wiani muhimu, basi picha za CMB zitaongozwa na matangazo ya moto na baridi ya karibu shahada moja kwa ukubwa (kituo cha chini). Ikiwa, kwa upande mwingine, wiani ni mkubwa zaidi kuliko muhimu (na ulimwengu utaanguka hatimaye), basi matangazo ya moto na ya baridi yatatokea zaidi ya shahada moja (chini kushoto). Ikiwa wiani wa ulimwengu ni chini ya muhimu (na upanuzi utaendelea milele), basi miundo itaonekana ndogo (chini ya kulia). Kama vipimo vinavyoonyesha, ulimwengu una wiani mkubwa. Vipimo vilivyoonyeshwa vilifanywa na chombo kinachotokana na puto kinachoitwa Boomerang (Uchunguzi wa Balloon wa mionzi ya Millimetric Extragalactic na Geophysics), ambayo ilikuwa inapita katika Antaktika. Baadae satellite uchunguzi na WMAP na Planck kuthibitisha matokeo Boomerang.

Nambari muhimu kutoka kwa uchambuzi wa data ya Planck inatupa maadili bora kwa sasa inapatikana kwa baadhi ya mali za msingi za ulimwengu:

Umri wa ulimwengu: 13.799 ± 0.038 miaka bilioni (Kumbuka: Hiyo ina maana tunajua umri wa ulimwengu ndani ya miaka milioni 38. Kushangaza!)
Hubble mara kwa mara: 67.31 ± 0.96 kilomita/pili/milioni parsecs
Sehemu ya maudhui ya ulimwengu yaani “nishati ya giza”: 68.5% ± 1.3%
Sehemu ya maudhui ya ulimwengu ambayo ni jambo: 31.5% ± 1.3%

Kumbuka kuwa thamani hii kwa mara Hubble ni kidogo kidogo kuliko thamani ya 70 kilomita/pili/milioni parsecs kwamba tuna iliyopitishwa katika kitabu hiki. Kwa kweli, thamani inayotokana na vipimo vya redshifts ni kilomita 73/pili/milioni parsecs. Hivyo sahihi ni cosmology ya kisasa siku hizi kwamba wanasayansi wanafanya kazi kwa bidii kutatua tofauti hii. Ukweli kwamba tofauti kati ya vipimo hivi viwili vya kujitegemea ni ndogo sana ni mafanikio ya ajabu. Miongo michache tu iliyopita, wanaastronomia walikuwa wakibishana kuhusu kama mara kwa mara ya Hubble ilikuwa karibu kilomita 50/pili/pili/milioni parsecs au kilomita 100/pili/milioni parsecs.

Uchambuzi wa data ya Planck unaonyesha pia kwamba jambo la kawaida (hasa protoni na nyutroni) hufanya 4.9% ya wiani jumla. Jambo la giza pamoja na suala la kawaida huongeza hadi 31.5% ya wiani wa jumla. Nishati ya giza inachangia 68.5% iliyobaki. Umri wa ulimwengu wakati wa kutenganya—yaani, wakati CMB ilipotolewa-ilikuwa miaka 380,000.

Labda matokeo ya kushangaza zaidi kutoka kwa vipimo vya juu vya usahihi na WMAP na vipimo vya juu vya usahihi kutoka Planck ni kwamba hapakuwa na mshangao. Mfano wa cosmology na suala la kawaida kwa karibu 5%, jambo la giza saa karibu 25%, na nishati ya giza kuhusu 70% imeishi tangu mwishoni mwa miaka ya 1990 wakati cosmologists walilazimishwa katika mwelekeo huo na data ya supernovae. Kwa maneno mengine, ulimwengu wa ajabu sana ambao tumekuwa tukielezea, huku asilimia 5 tu ya maudhui yake yanajumuisha aina ya mambo tunayoyafahamu hapa duniani, kwa kweli inaonekana kuwa ulimwengu tunaoishi.

Baada ya CMB kutolewa, ulimwengu uliendelea kupanua na baridi. Kwa miaka milioni 400 hadi 500 baada ya Big Bang, nyota za kwanza na galaxi zilikuwa zimeundwa. Deep katika mambo ya ndani ya nyota, jambo alikuwa reheated, athari za nyuklia walikuwa moto, na awali taratibu zaidi ya mambo nzito kwamba sisi kujadiliwa katika kitabu hiki ilianza.

Tunahitimisha ziara hii ya haraka ya mfano wetu wa ulimwengu wa mapema na kukumbusha. Lazima usifikiri juu ya Big Bang kama mlipuko wa ndani katika nafasi, kama nyota ya kulipuka. Hakukuwa na mipaka na hapakuwa na tovuti moja ambapo mlipuko ulitokea. Ilikuwa mlipuko wa nafasi (na wakati na jambo na nishati) uliotokea kila mahali ulimwenguni. Jambo lolote na nishati zilizopo leo, ikiwa ni pamoja na chembe ambazo umefanywa, zilikuja kutoka Big Bang. Tulikuwa, na bado ni, katikati ya Big Bang; ni wote karibu nasi.

Dhana muhimu na Muhtasari

Wakati ulimwengu ukawa baridi kutosha kuunda atomi za hidrojeni zisizo na upande, ulimwengu ukawa wazi kwa mionzi. Wanasayansi wamegundua mionzi ya microwave ya cosmic (CMB) kutoka wakati huu wakati wa ulimwengu wa moto, mapema. Vipimo na COBE satellite kuonyesha kwamba CMB vitendo kama blackbody na joto la 2.73 K. kushuka kwa thamani ndogo katika CMB kutuonyesha mbegu za miundo mikubwa katika ulimwengu. Vipimo vya kina vya kushuka kwa thamani hizi zinaonyesha kwamba tunaishi katika ulimwengu wa wiani muhimu na kwamba wiani muhimu hujumuisha jambo la 31%, ikiwa ni pamoja na suala la giza, na nishati ya giza 69%. Suala la kawaida-aina ya chembe za msingi tunazozipata duniani-hufanya tu juu ya 5% ya wiani muhimu. Vipimo vya CMB pia vinaonyesha kwamba ulimwengu una umri wa miaka bilioni 13.8.

maelezo ya chini

^Kumbuka kwamba microwaves ni katika eneo la redio la wigo wa umeme.

faharasa

asili ya microwave ya cosmic (CMB): mionzi ya microwave inayotoka pande zote, yaani, baada ya upepo wa rangi nyekundu ya Big Bang.

ulimwengu wa gorofa: mfano wa ulimwengu una wiani muhimu na ambayo jiometri ya ulimwengu ni gorofa, kama karatasi

wakati wa kupungua kwa photon: wakati mionzi ilianza mkondo kwa uhuru kwa njia ya ulimwengu bila kuingiliana na jambo