Language
Country/Area
No result found
Kỷ nguyên trong suốt của vũ trụ: Bí mật của thời kỳ đoàn tụ là gì?
Trong vũ trụ quan sát được, bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) là bức xạ vi sóng phổ biến lấp đầy toàn bộ không gian quan sát được. Không gian nền giữa các thiên hà và ngôi sao được quan sát bằng kính thiên văn quang học thông thường hầu như tối hoàn toàn, nhưng nếu chúng ta sử dụng kính thiên văn vô tuyến đủ nhạy, chúng ta có thể phát hiện ra ánh sáng nền mờ nhạt không liên quan đến bất kỳ ngôi sao, thiên hà hay vật thể nào khác. Ánh sáng yếu này có cường độ mạnh nhất ở vùng vi sóng của quang phổ điện từ.
Năm 1965, khám phá tình cờ của các nhà thiên văn học vô tuyến người Mỹ Arno Penzias và Robert Wilson có ý nghĩa to lớn, đánh dấu sự kết thúc công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm 1940. Sự xuất hiện của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã trở thành bằng chứng quan trọng cho thuyết Vụ nổ lớn. Trong mô hình Vụ nổ lớn của vũ trụ, vũ trụ sơ khai chứa đầy plasma nóng, đặc và mờ đục của các hạt hạ nguyên tử. Khi vũ trụ mở rộng, các plasma này nguội đi và các proton và electron hợp nhất để tạo thành các nguyên tử trung hòa, chủ yếu là hydro. Các nguyên tử này không có khả năng phân tán bức xạ nhiệt thông qua hiện tượng tán xạ Thomson, khiến vũ trụ trở nên trong suốt.
Kết hợp với sự kiện tách rời của thời đại này, các photon được giải phóng để di chuyển tự do trong không gian. Tuy nhiên, khi Vũ trụ giãn nở, năng lượng của các photon này giảm đi do sự dịch chuyển về phía đỏ gây ra bởi sự giãn nở của vũ trụ.
Đây được gọi là "bề mặt của sự tán xạ cuối cùng" và là phạm vi khoảng cách chính xác mà tại đó các photon ban đầu được phát ra trong quá trình tách ghép có thể được nhận. Mặc dù CMB khá đồng nhất nhưng không hoàn toàn trơn tru và có tính dị hướng nhẹ. Các thí nghiệm trên mặt đất và trong không gian như COBE, WMAP và Planck đã được sử dụng để đo sự không đồng nhất về nhiệt độ này.
Cấu trúc dị hướng được xác định bởi các tương tác khác nhau giữa vật chất và photon tại điểm tách rời, tạo thành một mô hình đặc trưng gồm các gờ và gờ thay đổi theo thang góc.
Sự phân bố dị hướng của CMB có các thành phần tần số lưới có thể được biểu diễn bằng phổ công suất cho thấy một loạt các đỉnh và đáy. Các đỉnh của quang phổ này mang thông tin quan trọng về các tính chất vật lý của vũ trụ sơ khai: đỉnh đầu tiên xác định độ cong tổng thể của vũ trụ, trong khi đỉnh thứ hai và thứ ba chỉ ra chi tiết về mật độ của vật chất bình thường và cái gọi là vật chất tối.
Có thể gặp khó khăn khi trích xuất thông tin chi tiết từ dữ liệu CMB vì bức xạ bị thay đổi bởi các đặc điểm ở tiền cảnh như cụm thiên hà.
Đặc điểm của Bức xạ nền vi sóng vũ trụ
Bức xạ nền vi sóng vũ trụ là sự phát xạ đồng đều năng lượng nhiệt của vật đen từ mọi hướng, với cường độ được đo bằng Kelvin (K). Phổ vật đen nóng của CMB được xác định rõ ràng nhất ở nhiệt độ 2,72548±0,00057 K. Những thay đổi về cường độ được thể hiện dưới dạng những thay đổi về nhiệt độ và nhiệt độ vật đen có thể mô tả duy nhất cường độ bức xạ ở mọi bước sóng. Nhiệt độ độ sáng đo được ở mọi bước sóng có thể được chuyển đổi thành nhiệt độ vật đen.
Bức xạ CMB rất đồng đều trên khắp bầu trời, có ít cấu trúc so với các khối vật chất trong các ngôi sao hoặc thiên hà. Bức xạ của nó có tính đẳng hướng theo mọi hướng, với tỷ lệ khoảng 1 phần 25.000.
Mặc dù tính dị hướng của CMB cực kỳ nhỏ, nhiều khía cạnh của nó có thể được đo với độ chính xác cao và các phép đo này rất quan trọng đối với các lý thuyết vũ trụ học. Ngoài tính dị hướng về nhiệt độ, CMB phải có sự thay đổi góc phân cực. Hướng phân cực ở mỗi hướng của bầu trời được mô tả bằng phân cực chế độ E và chế độ B. Cường độ của tín hiệu chế độ E nhỏ hơn 10 lần so với tính dị hướng nhiệt độ. Nó đóng vai trò bổ sung cho dữ liệu nhiệt độ và tương quan với chúng.
Tín hiệu chế độ B yếu hơn nhưng có thể chứa dữ liệu vũ trụ học bổ sung và nguồn gốc của tính dị hướng cũng liên quan đến vật lý phân cực.
CMB cũng được kỳ vọng sẽ cho thấy những biến dạng quang phổ nhỏ trong quang phổ khác với định luật vật đen. Đây cũng là một trong những trọng tâm nghiên cứu hiện nay và các nhà nghiên cứu hy vọng có thể đo lường chúng lần đầu tiên trong vài thập kỷ tới vì chúng chứa đựng thông tin phong phú về vũ trụ nguyên thủy và sự hình thành các cấu trúc sau này.
Theo Chuck trong Hubble's V4, với tỷ lệ kích thước từ 400 đến 1, CMB chứa phần lớn các photon trong Vũ trụ, với mật độ số gấp một tỷ lần so với vật chất trong Vũ trụ. Điều này có nghĩa là nếu không có sự giãn nở của Vũ trụ để làm mát CMB, bầu trời đêm sẽ sáng như Mặt trời.
Theo góc nhìn lịch sử
Sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã được các học giả đầu tiên dự đoán và khám phá. Năm 1931, Georges Lemaître suy đoán rằng tàn dư của vũ trụ sơ khai có thể được quan sát dưới dạng bức xạ; và năm 1948, Ralph Alph và Robert Hermann tiếp tục dự đoán sự tồn tại của nền vi sóng vũ trụ và ước tính nhiệt độ của nó vào khoảng 5 Kelvin. Mặc dù có một độ lệch nhỏ, nhưng nền tảng lý thuyết đã được hình thành.
Phát hiện tích cực đầu tiên về bức xạ nền vi sóng vũ trụ xảy ra vào năm 1964, khi các nhà khoa học từ Đại học Princeton bắt đầu chế tạo các thiết bị để đo bức xạ nền vi sóng vũ trụ, và sau đó vào năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson tình cờ phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng tại Bell Labs.
Năm 1965, khám phá này không chỉ chứng minh sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng mà còn trở thành bước đột phá lớn trong lĩnh vực vũ trụ học, xác nhận mô hình Vụ nổ lớn.
Với sự phát triển của công nghệ, các máy dò như COBE, WMAP và Planck đã tiếp tục tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về bức xạ nền vi sóng vũ trụ, cung cấp bằng chứng vững chắc và hướng dẫn lý thuyết để chúng ta hiểu biết về sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ.
Ngày nay, nghiên cứu về nền vi sóng vũ trụ vẫn đang được tiến hành và các nhà khoa học vẫn nhiệt tình khám phá thông tin về vũ trụ sơ khai. Vậy, bạn nghĩ nền vi sóng vũ trụ ẩn chứa những bí ẩn chưa được giải đáp nào?
