Big Bang's Shadow: Hvordan 2 fyre ved et uheld afdækkede universets ekkoer

Kosmisk mikrobølge baggrund fra WMAP teleskop

Den kosmiske mikrobølgebaggrund, der her skildres fra ni års data fra NASAs WMAP -teleskop, var nøglen til at bevise Big Bang -teoriens validitet. (Billedkredit: NASA/WMAP Science Team)



Paul Sutter er astrofysiker hos Ohio State University og chefforsker ved COSI Science Center . Sutter er også vært for Spørg en rummand , RealSpace , og COSI Science nu .

Det er ikke ofte, du kan blive forfremmet, rost og endda belønnet for undlader at udføre dit job . Normalt er det det stik modsatte. Så hvordan præcist vandt Arno Penzias og Robert Wilson-to hvem-i-pokker-er-de-fyre på Bell Labs i 1960'erne-en gratis tur til Stockholm og en skinnende gylden nobelmedalje?





De kosmiske udfordrere

Først lidt opsætning. På det tidspunkt var Big Bang-teorien ikke den høje og mægtige, universelle champ-model, der skulle forklare slut-alt og være-alt i kosmos, som det er i dag. Langt fra det: Selvom det var en stærk konkurrent til titlen, havde det nogle stærke rivaler, især Steady State -teorien.

Se, Edwin Hubble havde korrekt påpeget to fantastiske fakta om vores univers: det er meget, meget, meget store, og det ser ud til at blive større. Eller i det mindste ser det ud til, at hver galakse kommer længere væk fra hver anden galakse (i gennemsnit tæller naturligvis ikke et par fusioner hist og her). Vi lever i et stort, ekspanderende univers. [Universet: Big Bang til nu i 10 lette trin]



Med denne forbløffende viden skyndte teoretikere sig at komme med forklaringer. I de spændende dage i 20'erne og 30'erne opstod to modeller. I det ene hjørne: Big Bang (selvom det først fik det fede navn senere), som udgjorde, at universet før var lille, varmt og meget tæt, og med tiden er blevet blødere for at blive den stabile, modne karakter, vi kender og elsker i dag. Det var en ret simpel og temmelig populær idé.

I det modsatte hjørne: Steady State, stærkt fremmet af astronomen Fred Hoyle, fordi - ja, måske ville han bare holde det til virksomheden. I denne opfattelse er universet nogenlunde det samme i hele rummet og hele tiden. Materiale genereres løbende og skubbes derefter ud i en uendelig kosmisk cyklus. (Lær mere om Steady State -modellen i nedenstående video .)



Slaget fortsætter

I et par årtier ville disse to teorier ikke rokke. Big Bang havde nogle små fordele, når det kom til virkelige observationer, men kunne ikke forklare alt. På det tidspunkt var kosmologi (studiet af hele universet som helhed) ikke engang egentlig sin egen videnskabelige disciplin; det var bare en sidehobby for ellers rimelige astronomer. Folk var meget mere interesseret i solens atomfysik og hvide dværge og andre fede ting.

Uden en masse ekstra hjernekraft eller teleskoptid var der simpelthen ikke nok data til at påvirke vores forståelse til Big Bang eller Steady State endegyldigt.

Men et par fysikere var begyndt at lave nogle interessante forudsigelser vedrørende Big Bang -teorien. Hvis universet var varmt og tæt for længe siden, så må det have været et plasma: en tilstand af materie, hvor alle elektronerne bliver revet ud af deres kerner og svømmer frit rundt.

Men på et tidspunkt i den tidlige tilstand må universet have afkølet til det punkt, at stabile atomer kunne dannes. I stedet for at blive revet voldsomt af nogle højenergibit lys, kunne elektroner snuggle sig sikkert ved siden af ​​protoner og danne det første brint.

Universet gik fra 'gryderet' til 'suppe', og lyset kunne rejse frit. På det tidspunkt var lyset hvidglødende, men over tidens løb ville det oprindelige lys blive fortyndet og strakt ved universets ekspansion. (Jeg beskriver effekten i denne video .)

Det lys skulle stadig gennemsyre universet i dag, nedkølet fra dets forrygende barndom til blot et par rolige og samlede grader over absolut nul - ved at sætte det i mikrobølgeovnen.

'Hmmmm,' ræsonnerede disse fysikere, 'vi burde kunne ... du ved, se det. Måske skulle vi bygge en mikrobølge -detektor eller noget? '

Den sidste kamp

Cosmic Microwave Background (CMB) -strålingen fortæller os universets alder og sammensætning og rejser nye spørgsmål, der skal besvares. Se hvordan den kosmiske mikrobølgeovn fungerer og kan registreres her.

Cosmic Microwave Background (CMB) -strålingen fortæller os universets alder og sammensætning og rejser nye spørgsmål, der skal besvares. Se, hvordan den kosmiske mikrobølge -baggrund fungerer og kan registreres her.(Billedkredit: Karl Tate, SPACE.com Infographics Artist)

Indtast et par jokere fra Bell Labs. Efter succesfuld at have bygget en smuk ny mikrobølgedetektor - uden at de fleste andre forskere vidste det - havde Penzias og Wilson et problem. Uanset hvad kunne de ikke slippe af med en konstant baggrunds sus.

Peger den på en anden del af himlen? Nej, der stadig.

Vent et par uger? Nej, der stadig.

Spørg den nærliggende hærbase, om de lavede noget fancy? Nej, der stadig.

Skrabe alle duebukket af? Nej, der stadig.

De havde et job - at få darn -antennen til at fungere rigtigt - og de kunne ikke gøre det. Uanset hvad så det ud til at himlen var fyldt med mikrobølgestråling, kun få grader Kelvin over absolut nul. En kosmisk mikrobølge baggrund, hvis du vil.

De blev til sidst tilsluttet fysikerne, der studerede det tidlige univers, og begge grupper kom til den samme konklusion: Det fejlagtige signal, de opdagede, kan muligvis være det resterende lys fra det tidlige univers.

Men hvem fik den store pris? Forskerne, der havde arbejdet i årtier for at forudsige signalet og begynde at undersøge, hvordan man opdager det - eller de to tilfældige dudes fra Bell Labs?

En anden fortid

På trods af hvem der fik æren, var det en stor gevinst for Big Bang. Steady State -modellen - med sin antagelse om, at universet har været uforanderligt i evigheden - kunne simpelthen ikke redegøre for den kosmiske mikrobølge -baggrund. Alle andre forklaringer på strålingen kunne heller ikke fungere: Big Bang -modellen forudsagde en kold, fantastisk ensartet vask af mikrobølger over himlen, og det var præcis, hvad Penzias og Wilson ved et uheld fandt. Alt andet i universet er bare for klumpet til at gøre noget så glat. [ Billeder: Peering tilbage til Big Bang & Early Universe ]

Opdagelsen af ​​den kosmiske mikrobølge -baggrund sendte krusninger af spænding gennem det videnskabelige samfund. Kosmologi kom til sin ret som en fuldgyldig videnskabelig disciplin. Universet var anderledes tidligere, og vil være anderledes i fremtiden. Det blev eksperimentelt klart, at tingene ændrer sig - på de allerstørste skalaer - med tiden.

Og Big Bang -teorien havde sit første store bevis. Det er det, der betyder mest: Hvis du vil påvirke et skeptisk videnskabeligt samfund, kan du begynde og slutte med beviserne. Før 1964 havde vi ingen grund til at tro på Big Bang -teorien. Men selve universet, i en subtil hvisken af ​​mikrobølger, fortæller os, at vi burde.

Lær mere ved at lytte til afsnittet ' Hvad er den kosmiske mikrobølgeovn? 'på podcasten Ask A Spaceman, tilgængelig den iTunes og på nettet kl http://www.askaspaceman.com . Tak til Arlington T., Jeffrey B., Edward J., Jason A., Ernie J., Rea N., Chris L. og Randy B. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter . Følg os @Spacedotcom , Facebook og Google+ . Original artikel om Space.com .