Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:40 • sest 21:16 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 15:13 • Sest 05:59 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 03:57 • Síðdegis: 16:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:23 • Síðdegis: 22:34 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Stjarnvísindi: alheimurinn

Hvað er örbylgjukliður, hvenær uppgötvaðist hann og hvernig er hann útskýrður?

Sævar Helgi Bragason og Þorsteinn Vilhjálmsson

Grundvallarforsögn kenningarinnar um Miklahvell (Big Bang) er sú að alheimurinn þenjist út. Útþenslan bendir til þess að alheimurinn hafi verið minni, þéttari og heitari í fortíðinni, en að hann hafi smám saman kólnað með þenslunni. Snemma í sögu alheimsins hefur gasið sem hann var gerður úr verið mjög heitt og glóandi. Á þessum tíma var sem alheimurinn væri sveipaður þykkri ógagnsærri þoku. Á 300.000 árum féll hitastigið úr ef til vill yfir 100.000.000°C niður í um 2800°C og mikilvæg breyting átti sér stað. Frumeindakjarnar (atomic nuclei) gátu farið að fanga rafeindir (electrons) og mynda stöðugar frumeindir eða atóm. Þá loks gátu ljóseindir (photons) ferðast óhindrað, þokunni létti og alheimurinn varð gagnsær gagnvart rafsegulgeislun eins og ljósi. Þessa geislun sjáum við úr öllum áttum í alheiminum og kallast hún örbylgjukliður (microwave background radiation) en hann uppgötvaðist árið 1965. Örbylgjukliðurinn er, ásamt útþenslu alheimsins, einn mikilvægasti máttarstólpi Miklahvellskenningarinnar.

Rússnesk-bandaríski stjörnufræðingurinn George Gamow (1904-1968) setti fyrstur manna fram hugmyndina um tilvist örbylgjukliðsins árið 1948. Doktorsnemi Gamows, Ralph Alpher (1921-), og neminn Robert Herman (1914-1997) reiknuðu út að hitastig geislunarinnar væri tæplega -268°C eða 5 kelvín (K). Gamow varð fyrir talsverðum vonbrigðum þegar Alpher og Herman greindu honum frá niðurstöðum sínum. Hitastigið var svo lágt að erfitt var að mæla það með þeim tækjum sem þá voru til.

Á þessum tíma var Miklahvellskenningin enn að slíta barnskónum og fáar athuganir til sem gátu rennt stoðum undir hana. Þetta sama ár (1948) settu þrír stjörnufræðingar, með Bretann Fred Hoyle (1915-2001) í broddi fylkingar, fram svokallaða sístöðukenningu (steady state theory). Samkvæmt henni lítur alheimurinn eins út hvert sem litið er á hvaða tíma sem er. Það þýddi að alheimurinn ætti sér hvorki upphaf né endi. Þessi kenning öðlaðist marga fylgismenn þegar hún var sett fram en smám saman dró úr vinsældum hennar þegar athuganir stjörnufræðinga virtust í beinni andstöðu við hana.

Árið 1965 gengu þýsk-bandaríski eðlisfræðingurinn Arno Penzias (f. 1933) og Bandaríkjamaðurinn Robert Wilson (f. 1936) af sístöðukenningunni dauðri fyrir slysni þegar þeir uppgötvuðu örbylgjukliðinn. Þeir voru að vinna við útvarpsmóttakara Bell-símafyrirtækisins í New Jersey þegar þeir námu suð í tækjunum. Í fyrstu töldu þeir það stafa af galla í móttakaranum vegna þess að suðið kom jafnt úr öllum áttum. Enginn galli fannst þrátt fyrir ítarlega leit en Penzias og Wilson létu ekki þar við sitja. Þeir sáu að móttakarinn var útataður í ryki og drullu sem þeir hreinsuðu vandlega burt en það skilaði heldur engum árangri. Suðið var enn stöðugt og jókst ef eitthvað var.



Arno Penzias og Robert Wilson við útvarpsmóttakara Bell-símafyrirtækisins

Um svipað leyti höfðu Robert Dicke (1916-1997), prófessor í stjörnufræði við Princetonháskóla, og samstarfsmenn hans leitt út að nýju forsögn Alphers, Gamows og Hermans um örbylgjugeislunina og voru að að byrja að leita að henni. Tækjabúnaður Penzias og Wilsons hafði verið of frumstæður til að henda reiður á henni til hlítar. Þegar samband komst á milli rannsóknahópanna og hópur Dickes hafð gert fyrstu mælingar sínar varð ljóst að Penzias og Wilson höfðu verið að finna merkin frá Miklahvelli sjálfum. Fyrir þessa uppgötvun hlutu þeir síðan Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1978.

Í dag er talið að 13,7 milljarðar ára séu síðan Miklihvellur átti sér stað, og hitastig geislunarinnar hefur fallið meira en þúsundfalt. Nú mælist hihti örbylgjukliðsins aðeins um 3 K (-270°C) og hann er einungis mælanlegur í örbylgjuhluta rafsegulrófsins, en ber engu að síður vitni um heitt upphaf alheimsins okkar. Örbylgjukliðurinn er samt ótrúlega bjartur og einsleitur í allar áttir. Ef augu okkar gætu greint hann myndi himinninn líta einhvern veginn svona út.



Örbylgjuhiminn. Einhvern veginn svona myndi himinninn líta út ef við sæjum örbylgjugeislunina.

Örbylgjukliðurinn virðist mjög sléttur og hitabreytingar afar smávægar. Raunar er einsleitnin ein helsta ástæða þess að geislunin er talin leifar Miklahvells því erfitt er að ímynda sér aðra orsök fyrir henni. Margir vísindamenn hafa samt sem áður reynt að setja fram aðrar útskýringar en engin þeirra hefur staðist nánari skoðun.

Með mjög næmum mælitækjum eins og gervitunglunum COBE og WMAP hefur stjörnufræðingum tekist að greina hitasveiflur. Með því að rannsaka hitasveiflurnar geta stjörnufræðingar lært ýmislegt um uppruna vetrarbrautaþyrpinga og mælt ýmsa grunnþætti Miklahvellskenningarinnar.



Örbylgjukliðurinn séður með WMAP-gervitunglinu.

Myndin hér að ofan sýnir niðurstöður mælinga WMAP-gervitunglsins. Hún er nokkurs konar hitakort af alheiminum en litirnir sýna hitasveiflurnar. Rauði liturinn sýnir hlýrri svæði en blái liturinn svalari svæði. Hitasveiflurnar eru afar smáar, aðeins 100.000 úr gráðu, en segja okkur engu að síður ýmislegt um upphaf og þróun alheimsins.

Þetta er nokkurs konar „barnamynd“ af alheiminum, tekin þegar hann var aðeins 379.000 ára. Ljósið á henni lagði af stað til okkar fyrir um 13,7 milljörðum ára. Þetta er sambærilegt við það að taka mynd af áttræðum manni á fæðingardegi hans.

Heimildir og myndir:

  • Freedman, R. A. og Kaufmann, William. Universe. W. H. Freedman and Company, New York, 1998. 5. útgáfa.
  • Kaku, Michio. Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos. Doubleday, New York, 2004.
  • Kutner, Marc L., Astronomy: A Physical Perspective. Cambridge University Press, 2003.
  • Stjörnufræðivefurinn: Örbylgjukliðurinn
  • WMAP

Höfundar

Sævar Helgi Bragason

Sævar Helgi Bragason

stjörnufræðikennari

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

13.6.2005

Spyrjandi

Auður Inga Ingimarsdóttir

Efnisorð

Tilvísun

Sævar Helgi Bragason og Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvað er örbylgjukliður, hvenær uppgötvaðist hann og hvernig er hann útskýrður?“ Vísindavefurinn, 13. júní 2005. Sótt 19. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=5051.

Sævar Helgi Bragason og Þorsteinn Vilhjálmsson. (2005, 13. júní). Hvað er örbylgjukliður, hvenær uppgötvaðist hann og hvernig er hann útskýrður? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=5051

Sævar Helgi Bragason og Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvað er örbylgjukliður, hvenær uppgötvaðist hann og hvernig er hann útskýrður?“ Vísindavefurinn. 13. jún. 2005. Vefsíða. 19. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=5051>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað er örbylgjukliður, hvenær uppgötvaðist hann og hvernig er hann útskýrður?
Grundvallarforsögn kenningarinnar um Miklahvell (Big Bang) er sú að alheimurinn þenjist út. Útþenslan bendir til þess að alheimurinn hafi verið minni, þéttari og heitari í fortíðinni, en að hann hafi smám saman kólnað með þenslunni. Snemma í sögu alheimsins hefur gasið sem hann var gerður úr verið mjög heitt og glóandi. Á þessum tíma var sem alheimurinn væri sveipaður þykkri ógagnsærri þoku. Á 300.000 árum féll hitastigið úr ef til vill yfir 100.000.000°C niður í um 2800°C og mikilvæg breyting átti sér stað. Frumeindakjarnar (atomic nuclei) gátu farið að fanga rafeindir (electrons) og mynda stöðugar frumeindir eða atóm. Þá loks gátu ljóseindir (photons) ferðast óhindrað, þokunni létti og alheimurinn varð gagnsær gagnvart rafsegulgeislun eins og ljósi. Þessa geislun sjáum við úr öllum áttum í alheiminum og kallast hún örbylgjukliður (microwave background radiation) en hann uppgötvaðist árið 1965. Örbylgjukliðurinn er, ásamt útþenslu alheimsins, einn mikilvægasti máttarstólpi Miklahvellskenningarinnar.

Rússnesk-bandaríski stjörnufræðingurinn George Gamow (1904-1968) setti fyrstur manna fram hugmyndina um tilvist örbylgjukliðsins árið 1948. Doktorsnemi Gamows, Ralph Alpher (1921-), og neminn Robert Herman (1914-1997) reiknuðu út að hitastig geislunarinnar væri tæplega -268°C eða 5 kelvín (K). Gamow varð fyrir talsverðum vonbrigðum þegar Alpher og Herman greindu honum frá niðurstöðum sínum. Hitastigið var svo lágt að erfitt var að mæla það með þeim tækjum sem þá voru til.

Á þessum tíma var Miklahvellskenningin enn að slíta barnskónum og fáar athuganir til sem gátu rennt stoðum undir hana. Þetta sama ár (1948) settu þrír stjörnufræðingar, með Bretann Fred Hoyle (1915-2001) í broddi fylkingar, fram svokallaða sístöðukenningu (steady state theory). Samkvæmt henni lítur alheimurinn eins út hvert sem litið er á hvaða tíma sem er. Það þýddi að alheimurinn ætti sér hvorki upphaf né endi. Þessi kenning öðlaðist marga fylgismenn þegar hún var sett fram en smám saman dró úr vinsældum hennar þegar athuganir stjörnufræðinga virtust í beinni andstöðu við hana.

Árið 1965 gengu þýsk-bandaríski eðlisfræðingurinn Arno Penzias (f. 1933) og Bandaríkjamaðurinn Robert Wilson (f. 1936) af sístöðukenningunni dauðri fyrir slysni þegar þeir uppgötvuðu örbylgjukliðinn. Þeir voru að vinna við útvarpsmóttakara Bell-símafyrirtækisins í New Jersey þegar þeir námu suð í tækjunum. Í fyrstu töldu þeir það stafa af galla í móttakaranum vegna þess að suðið kom jafnt úr öllum áttum. Enginn galli fannst þrátt fyrir ítarlega leit en Penzias og Wilson létu ekki þar við sitja. Þeir sáu að móttakarinn var útataður í ryki og drullu sem þeir hreinsuðu vandlega burt en það skilaði heldur engum árangri. Suðið var enn stöðugt og jókst ef eitthvað var.



Arno Penzias og Robert Wilson við útvarpsmóttakara Bell-símafyrirtækisins

Um svipað leyti höfðu Robert Dicke (1916-1997), prófessor í stjörnufræði við Princetonháskóla, og samstarfsmenn hans leitt út að nýju forsögn Alphers, Gamows og Hermans um örbylgjugeislunina og voru að að byrja að leita að henni. Tækjabúnaður Penzias og Wilsons hafði verið of frumstæður til að henda reiður á henni til hlítar. Þegar samband komst á milli rannsóknahópanna og hópur Dickes hafð gert fyrstu mælingar sínar varð ljóst að Penzias og Wilson höfðu verið að finna merkin frá Miklahvelli sjálfum. Fyrir þessa uppgötvun hlutu þeir síðan Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1978.

Í dag er talið að 13,7 milljarðar ára séu síðan Miklihvellur átti sér stað, og hitastig geislunarinnar hefur fallið meira en þúsundfalt. Nú mælist hihti örbylgjukliðsins aðeins um 3 K (-270°C) og hann er einungis mælanlegur í örbylgjuhluta rafsegulrófsins, en ber engu að síður vitni um heitt upphaf alheimsins okkar. Örbylgjukliðurinn er samt ótrúlega bjartur og einsleitur í allar áttir. Ef augu okkar gætu greint hann myndi himinninn líta einhvern veginn svona út.



Örbylgjuhiminn. Einhvern veginn svona myndi himinninn líta út ef við sæjum örbylgjugeislunina.

Örbylgjukliðurinn virðist mjög sléttur og hitabreytingar afar smávægar. Raunar er einsleitnin ein helsta ástæða þess að geislunin er talin leifar Miklahvells því erfitt er að ímynda sér aðra orsök fyrir henni. Margir vísindamenn hafa samt sem áður reynt að setja fram aðrar útskýringar en engin þeirra hefur staðist nánari skoðun.

Með mjög næmum mælitækjum eins og gervitunglunum COBE og WMAP hefur stjörnufræðingum tekist að greina hitasveiflur. Með því að rannsaka hitasveiflurnar geta stjörnufræðingar lært ýmislegt um uppruna vetrarbrautaþyrpinga og mælt ýmsa grunnþætti Miklahvellskenningarinnar.



Örbylgjukliðurinn séður með WMAP-gervitunglinu.

Myndin hér að ofan sýnir niðurstöður mælinga WMAP-gervitunglsins. Hún er nokkurs konar hitakort af alheiminum en litirnir sýna hitasveiflurnar. Rauði liturinn sýnir hlýrri svæði en blái liturinn svalari svæði. Hitasveiflurnar eru afar smáar, aðeins 100.000 úr gráðu, en segja okkur engu að síður ýmislegt um upphaf og þróun alheimsins.

Þetta er nokkurs konar „barnamynd“ af alheiminum, tekin þegar hann var aðeins 379.000 ára. Ljósið á henni lagði af stað til okkar fyrir um 13,7 milljörðum ára. Þetta er sambærilegt við það að taka mynd af áttræðum manni á fæðingardegi hans.

Heimildir og myndir:

  • Freedman, R. A. og Kaufmann, William. Universe. W. H. Freedman and Company, New York, 1998. 5. útgáfa.
  • Kaku, Michio. Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos. Doubleday, New York, 2004.
  • Kutner, Marc L., Astronomy: A Physical Perspective. Cambridge University Press, 2003.
  • Stjörnufræðivefurinn: Örbylgjukliðurinn
  • WMAP
...