Oppdagelse av kosmisk mikrobølge bakgrunnsstråling - Discovery of cosmic microwave background radiation

Del av en serie om
Fysisk kosmologi
Full himmelbilde avledet fra Planck romfartøydata
Tidlig univers
Bakgrunner
Utvidelse  · Framtid
Komponenter  · Struktur
Komponenter
Struktur
Eksperimenter
Forskere
Faghistorikk

Den oppdagelsen av kosmiske mikrobølge bakgrunnsstrålingen utgjør en stor utvikling i moderne fysisk kosmologi . I 1964 oppdaget den amerikanske fysikeren Arno Allan Penzias og radioastronom Robert Woodrow Wilson CMB, og estimerte temperaturen til 3,5 K, mens de eksperimenterte med Holmdel Horn-antennen . De nye målingene ble akseptert som viktige bevis for et hett tidlig univers ( big bang -teorien ) og som bevis mot den rivaliserende steady state -teorien som teoretisk arbeid rundt 1950 viste behovet for en CMB for konsistens med de enkleste relativistiske universmodellene . I 1978 ble Penzias og Wilson tildelt Nobelprisen for fysikk for deres felles måling. Det hadde vært en tidligere måling av den kosmiske bakgrunnsstrålingen ( CMB ) av Andrew McKellar i 1941 ved en effektiv temperatur på 2,3 K ved bruk av CN -stjerneabsorberingslinjer observert av WS Adams. Selv om McKellar ikke refererer til CMB, var det først mye senere etter Penzias- og Wilson -målingene at betydningen av denne målingen ble forstått.

Historie

Bell Labs 'hornantenne i Crawford Hill, NJ - I 1964 snublet Penzias og Wilson på bakgrunnsstrålingen i mikrobølgeovnen som gjennomsyrer universet mens de brukte hornantennen.
Ytterligere informasjon: Tidslinje for astronomi for kosmisk mikrobølgeovn

På midten av 1900 -tallet hadde kosmologer utviklet to forskjellige teorier for å forklare universets opprettelse. Noen støttet steady-state-teorien , som sier at universet alltid har eksistert og vil fortsette å overleve uten merkbar endring. Andre trodde på Big Bang- teorien, som sier at universet ble skapt i en massiv eksplosjonslignende hendelse for milliarder av år siden ( senere bestemt til å være omtrent 13,8 milliarder år ).

I 1941 brukte Andrew McKellar WS Adams 'spektroskopiske observasjoner av CN -absorpsjonslinjer i spekteret til en B -type stjerne for å måle en svart kropps bakgrunnstemperatur på 2,3 K. McKellar refererte til hans deteksjon som en "' rotasjons 'temperatur på interstellare molekyler", uten henvisning til en kosmologisk tolkning, der det står at temperaturen "vil ha sin egen, kanskje begrensede, betydning".

Over to tiår senere, da de jobbet på Bell Labs i Holmdel, New Jersey , i 1964, eksperimenterte Arno Penzias og Robert Wilson med en overfølsom, 6 meter (20 fot) hornantenne som opprinnelig ble bygget for å oppdage radiobølger som hoppet av Echo ballongsatellitter . For å måle disse svake radiobølgene måtte de eliminere all gjenkjennelig interferens fra mottakeren. De fjernet virkningen av radar og radiosendinger , og undertrykte forstyrrelser fra varmen i selve mottakeren ved å avkjøle den med flytende helium til -269 ° C, bare 4 K over absolutt null .

Da Penzias og Wilson reduserte dataene sine, fant de en lav, jevn, mystisk støy som vedvarte i mottakeren. Denne gjenværende støyen var 100 ganger mer intens enn de hadde forventet, var jevnt spredt over himmelen og var til stede dag og natt. De var sikre på at strålingen de oppdaget på en bølgelengde på 7,35 centimeter ikke kom fra jorden , solen eller galaksen vår . Etter å ha sjekket utstyret grundig, fjernet noen duer som hekker i antennen og renset det akkumulerte avfallet , forble støyen. Begge konkluderte med at denne støyen kom fra utenfor vår egen galakse - selv om de ikke var klar over noen radiokilde som kunne forklare den.

På samme tid forberedte Robert H. Dicke , Jim Peebles og David Wilkinson , astrofysikere ved Princeton University bare 60 km unna, seg for å søke etter mikrobølgestråling i denne regionen av spekteret. Dicke og hans kolleger mente at Big Bang må ha spredt ikke bare saken som kondenserte til galakser. men må også ha sluppet en enorm strålestråling. Med riktig instrumentering bør denne strålingen være påviselig, om enn som mikrobølgeovn, på grunn av et massivt rødskift .

Da vennen Bernard F. Burke , professor i fysikk ved MIT , fortalte Penzias om et forhåndstrykkpapir han hadde sett av Jim Peebles om muligheten for å finne stråling igjen fra en eksplosjon som fylte universet i begynnelsen av dets eksistens, Penzias og Wilson begynte å innse betydningen av det de trodde var en ny oppdagelse. Egenskapene til strålingen oppdaget av Penzias og Wilson passer nøyaktig til strålingen som er spådd av Robert H. Dicke og hans kolleger ved Princeton University. Penzias ringte Dicke på Princeton, som umiddelbart sendte ham en kopi av Peebles-papiret som fortsatt ikke er publisert. Penzias leste avisen og ringte Dicke igjen og inviterte ham til Bell Labs for å se på hornantennen og lytte til bakgrunnsstøyen. Dicke, Peebles, Wilkinson og PG Roll tolket denne strålingen som en signatur av Big Bang.

For å unngå potensiell konflikt bestemte de seg for å publisere resultatene sine i fellesskap. To notater ble hastet til Astrophysical Journal Letters . I den første skisserte Dicke og hans medarbeidere viktigheten av kosmisk bakgrunnsstråling som underbygging av Big Bang -teorien. I et annet notat, signert i fellesskap av Penzias og Wilson med tittelen "A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Megacycles per Second", rapporterte de om eksistensen av en 3,5 K gjenværende bakgrunnsstøy, som var igjen etter å ha tatt hensyn til en himmelabsorpsjonskomponent på 2,3 K og en 0,9 K instrumental komponent, og tilskrev en "mulig forklaring" som den som ble gitt av Dicke i hans følgebrev.

I 1978 ble Penzias og Wilson tildelt Nobelprisen for fysikk for deres felles oppdagelse. De delte prisen med Pyotr Kapitsa , som vant den for ikke -relatert arbeid. I 2019 ble Jim Peebles også tildelt Nobelprisen for fysikk, "for teoretiske funn i fysisk kosmologi".

Bibliografi

  • Aaronson, Steve (januar 1979). "Skapelsens lys: et intervju med Arno A. Penzias og Robert W. Wilson". Bell Laboratories Record : 12–18.
  • Abell, George O. (1982). Utforskning av universet. 4. utg . Philadelphia: Saunders College Publishing.
  • Asimov, Isaac (1982). Asimovs biografiske leksikon for vitenskap og teknologi. 2. utg . New York: Doubleday & Company, Inc.
  • Bernstein, Jeremy (1984). Tre grader over null: Bell Labs i informasjonsalderen . New York: Charles Scribners sønner. ISBN 978-0-684-18170-7.
  • Brush, Stephen G. (august 1992). "Hvordan kosmologi ble en vitenskap". Vitenskapelig amerikansk . 267 (2): 62–70. Bibcode : 1992SciAm.267b..62B . doi : 10.1038/scientificamerican0892-62 .
  • Chown, Marcus (29. september 1988). "En kosmisk levning i tre grader". Ny forsker . 119 : 51–55. Bibcode : 1988NewSc.119 ... 51C .
  • Crawford, AB; Hogg, DC; Hunt, LE (juli 1961). "Project Echo: A Horn-Reflector Antenna for Space Communication". Bell System Technical Journal : 1095–1099. doi : 10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x .
  • Disney, Michael (1984). Det skjulte universet . New York: Macmillan Publishing Company. ISBN 978-0-02-531670-6.
  • Ferris, Timothy (1978). Den røde grensen: Søket etter universets kant. 2. utg . New York: Quill Press.
  • Friedman, Herbert (1975). Det fantastiske universet . Washington, DC: National Geographic Society. ISBN 978-0-87044-179-0.
  • Hei, JS (1973). Evolusjonen av radioastronomi . New York: Neale Watson Academic Publications, Inc. ISBN 978-0-88202-027-3.
  • Jastrow, Robert (1978). Gud og astronomene . New York: WW Norton & Company, Inc. ISBN 978-0-393-01187-6.
  • Kirby-Smith, HT (1976). Amerikanske observatorier: En katalog og reiseguide . New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-24451-4.
  • Learner, Richard (1981). Astronomi gjennom teleskopet . New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 978-0-442-25839-9.

Referanser

Eksterne linker