Wie viele Weltraummissionen haben den kosmischen Mikrowellenhintergrund untersucht?
Die erste Weltraummission, die speziell zur Untersuchung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) entwickelt wurde, war der Cosmic Background Explorer (COBE), der 1989 von der NASA ins Leben gerufen wurde., Zu den wichtigsten Entdeckungen gehörte, dass der CMB, der über den gesamten Himmel gemittelt wurde, ein Spektrum zeigt, das sich bei einer Temperatur von 2,73 Kelvin extrem genau an einen sogenannten „schwarzen Körper“ (dh reine Wärmestrahlung) anpasst, aber auch sehr kleine Temperaturschwankungen in der Größenordnung von 1 Teil in 100.000 über den Himmel zeigt. Diese Ergebnisse wurden mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik 2006 an John Mather und George Smoot belohnt.,
NASA“s zweiten generation space mission, die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) war im Jahr 2001 begonnene Studie, die diese kleinen Schwankungen in viel mehr detail. Die Schwankungen wurden in dem Moment, in dem sich Photonen und Materie 380.000 Jahre nach dem Urknall entkoppelten, auf den CMB eingeprägt und spiegeln etwas höhere und niedrigere Dichten im Uruniversum wider. Diese Schwankungen entstanden in einer früheren Epoche – unmittelbar nach dem Urknall – und würden später unter dem Einfluss der Schwerkraft wachsen, wodurch die großräumige Struktur (dh, cluster und Supercluster von Galaxien), die wir heute um uns herum sehen. Die Ergebnisse von WMAP haben dazu beigetragen, die Proportionen der fundamentalen Bestandteile des Universums zu bestimmen und das heute vorherrschende Standardmodell der Kosmologie zu etablieren, und seine Wissenschaftler unter der Leitung von Charles Bennett haben in den dazwischenliegenden Jahren viele Preise in der Physik erhalten.
Schließlich wurde ESA Planck im Jahr 2009 ins Leben gerufen, um die CMB noch detaillierter als je zuvor zu studieren., Es deckt einen breiteren Frequenzbereich in mehr Bändern und mit höherer Empfindlichkeit als WMAP ab und ermöglicht eine viel genauere Trennung aller Komponenten des submillimetrischen und Mikrowellenwellenlängenhimmels, einschließlich vieler Vordergrundquellen wie der Emission aus unserer eigenen Milchstraße Galaxie. Dieses gründliche Bild zeigt somit den CMB und seine winzigen Schwankungen in viel größerer Detailgenauigkeit und Präzision als bisher., Das Ziel von Planck ist es, diese größere Sensibilität zu nutzen, um das Standardmodell der Kosmologie zweifelsfrei zu beweisen oder, verlockender, nach Abweichungen vom Modell zu suchen, die die neue Physik darüber hinaus widerspiegeln könnten.
Wie sieht der kosmische Mikrowellenhintergrund aus?
Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) wird in alle Himmelsrichtungen detektiert und erscheint Mikrowellenteleskopen als nahezu gleichmäßiger Hintergrund. Plancks Vorgänger (NASA COBE und WMAP Missionen) gemessen, um die Temperatur des CMB 2.726 Kelvin (etwa -270 Grad Celsius) fast überall am Himmel zu sein., Das „Fast“ ist hier der wichtigste Faktor, da winzige Temperaturschwankungen, die nur einen Bruchteil eines Grades ausmachen, Unterschiede in den Strukturdichten sowohl auf kleinen als auch auf großen Skalen darstellen, die unmittelbar nach der Entstehung des Universums vorhanden waren. Sie können sich als Samen vorstellen, wo Galaxien schließlich wachsen würden. Planck Instrumentendetektoren sind so empfindlich, dass Temperaturschwankungen von einigen Millionstel Grad unterscheidbar sind, einen besseren Einblick in die Art der Dichteschwankungen bald nach der Geburt des Universums.,
Was ist „das Standardmodell der Kosmologie“ und wie bezieht es sich auf das CMB?
Das Standardmodell der Kosmologie beruht auf der Annahme, dass das Universum in sehr großen Maßstäben homogen und isotrop ist, was bedeutet, dass seine Eigenschaften an jedem Punkt sehr ähnlich sind und dass es keine bevorzugten Richtungen im Raum gibt. In diesem Modell wurde das Universum vor fast 14 Milliarden Jahren geboren: Zu dieser Zeit waren Dichte und Temperatur extrem hoch – ein Zustand, der als „heißer Urknall“bezeichnet wird., Das Universum dehnt sich seitdem aus, wie Beobachtungen seit Ende der 1920er Jahre zeigen.Die Vielfalt der Strukturen, die wir in relativ kleinen Maßstäben beobachten können, ist das Ergebnis winziger, zufälliger Schwankungen, die während der kosmischen Inflation – einer frühen Periode beschleunigter Expansion, die unmittelbar nach dem heißen Urknall stattfand – eingebettet waren und die später unter dem Einfluss der Schwerkraft in Galaxien und Galaxienhaufen wachsen würden.,
Das Standardmodell der Kosmologie wurde aus einer Reihe verschiedener astronomischer Beobachtungen abgeleitet, die auf völlig unterschiedlichen physikalischen Prozessen basierten. Um die Daten mit der Theorie in Einklang zu bringen, haben Kosmologen jedoch zwei zusätzliche Komponenten hinzugefügt, die experimentell nicht bestätigt werden können: Dunkle Materie, eine unsichtbare Materiekomponente, deren netzartige Verteilung auf großen Skalen das Gerüst bildet, auf dem sich Galaxien und andere kosmische Strukturen bilden; und dunkle Energie, eine mysteriöse Komponente, die das Universum durchdringt und seine derzeit beschleunigte Expansion vorantreibt., Das Standardmodell der Kosmologie kann durch eine relativ kleine Anzahl von Parametern beschrieben werden, darunter: die Dichte gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie, die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion in der gegenwärtigen Epoche (auch als Hubble-Konstante bekannt), die Geometrie des Universums und die relative Menge der ursprünglichen Schwankungen, die während der Inflation auf verschiedenen Skalen und deren Amplitude eingebettet sind.