cz. 2

Hugh Ross
Stwórca i Kosmos [*]

ROZDZIAŁ CZWARTY
ODKRYCIE XX WIEKU (cz. 2)

Pierwsze odkrycie COBE

Pierwsze wyniki COBE, ogłoszone w styczniu 1990 roku, [29] wykazały, że Wszechświat można traktować jako idealny promiennik, rozpraszający praktycznie całą dostępną energię (patrz rys. 4.2 załącznik). Dane pokazały, że temperatura promieniowania tła jest bardzo niska i gładka. Nie wykryto w temperaturze tego promieniowania żadnych nieregularności większych niż jedna część na 10 000.

Rysunek 4.2 (patrz załącznik): Pierwsze pomiary COBE widma kosmicznego promieniowania tła na północnym biegunie galaktycznym nieba.
Zmierzona temperatura promieniowania tła wyniosła 2,735°C powyżej zera absolutnego. Odchylenia między wynikami COBE a krzywej widma idealnego promiennika wynosiły mniej niż 1% w całym zakresie obserwowanych częstotliwości.
— Dzięki uprzejmości Johna Mathera, Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda, NASA.

Ta niezwykle niska i gładka temperatura kosmicznego promieniowaniu tła przekonała astronomów, że wszechświat musiał mieć niezwykle gorący początek około 15 do 20 miliardów lat temu. Odkrycie to zasadniczo wykluczyło wiele alternatywnych modeli początku wszechświata, takich jak model stanu stacjonarnego (patrz rozdział 7). W jaki sposób naukowcy byli w stanie wywnioskować z tych odkryć COBE, że wszechświat miał gorący i stosunkowo niedawny początek? Pewne wskazówki uzyskamy powracając do naszej analogii z piekarnikiem kuchennym.

Załóżmy, że piekarnik otoczyliśmy tysiącami termometrów, przy czym każdy został umieszczony w dokładnie tej samej odległości od piekarnika. Załóżmy również, że jakiś czas po nagrzaniu, wyłączeniu piekarnika i otwarciu jego drzwi każdy termometr wskazywał dokładnie tę samą temperaturę. Jedynym możliwym wnioskiem, jaki moglibyśmy wyciągnąć w tej sytuacji, byłoby to, że przepływ ciepła z komory piekarnika do pomieszczenia całkowicie zdominował normalny, zaburzający temperaturę przepływ powietrza w pomieszczeniu. Taka dominacja sugeruje, że pierwotna temperatura w komorze piekarnika musiała być znacznie wyższa niż temperatura w pomieszczeniu. Ponadto gdyby wszystkie te tysiące termometrów wskazywały na bardzo niską temperaturę, doszlibyśmy do wniosku, że od otwarcia drzwiczek piekarnika minęło sporo czasu.

Fantastyczna eksplozja

Pomiary temperatury z COBE dostarczają przekonujących danych na gorące pochodzenie kosmosu przed kilkoma miliardami lat. Astronomowie mają bardzo dobry powód, by zwykle traktować pozytywnie wniosek o tym gorącym początkowym wielkim wybuchu.

Chłodna i jednorodna temperatura kosmicznego promieniowania tła oraz to, że jego widmo niemal pokrywa się z widmem idealnego promiennika, dowodzą, że wszechświat uległ ogromnej degradacji energii, typowej dla dużej eksplozji. Degradację energii mierzy się wielkością zwaną entropią. Entropia opisuje stopień, w jakim energia w układzie zamkniętym rozprasza się lub promieniuje (jako ciepło), a tym samym nie nadaje się już do wykonania pracy. Entropia właściwa jest miarą dla konkretnego układu wielkości entropii przypadającej na jeden proton.

Płonąca świeca jest dobrym przykładem systemu generującego dużą entropię, czyli takiego który wydajnie wypromieniowuje energię. Jej specyficzna entropia wynosi około dwu. Tylko bardzo gorące eksplozje mają znacznie wyższą entropię właściwą. Specyficzna entropia wszechświata wynosi około jednego miliarda – jest ogromna i poza wszelkim porównaniem. Nawet wybuchy supernowych, najbardziej entropijnych (i promieniujących) zdarzeń zachodzących obecnie we wszechświecie, mają entropię właściwą sto razy mniejszą.

Tylko gorący Wielki Wybuch może wyjaśnić tak ogromną entropię właściwą wszechświata. (Pozwolę sobie szybko dodać tym, którzy zmartwili się, że wszechświat jest tak „niewydajnym” mechanizmem, że tylko wszechświat z ogromną entropią właściwą może wytworzyć zaobserwowane ilości pierwiastków niezbędnych do życia. [30] Można również wykazać, że gdyby entropia była trochę większa lub trochę mniejsza, gwiazdy i planety nigdy nie pojawiłyby się w historii wszechświata. [31])

Drugie odkrycie COBE

Gładkość kosmicznego promieniowania tła pomogła potwierdzić początek Wszechświata w postaci gorącego Wielkiego Wybuchu. Stanowiła ona jednak pewien problem dla tego etapu rozwoju, który według szacunków uczonych nastąpił mniej więcej od pół miliarda do miliarda lat po stworzeniu. Astronomowie wiedzieli, że promieniowanie tła nie może być idealnie gładkie. Przynajmniej pewien poziom niejednorodności w kosmicznym promieniowaniu tła jest niezbędny, by wyjaśnić powstawanie gromad gwiazd, galaktyk i gromad galaktyk. Cały szereg wiarygodnych teorii na temat tego, jak mogą powstawać galaktyki, wymagał wahań temperatury mniej więcej dziesięć razy mniejszych niż te, które COBE wykrył w 1990 roku. Na szczęście wyniki ogłoszone 24 kwietnia 1992 roku były od dziesięciu do stu razy dokładniejsze. niż pomiary z 1990 roku.

Te nowe udoskonalone pomiary COBE wykazały istnienie nieregularności w promieniowaniu tła dochodzące do około jednej części na 100 000, [32] czyli dokładnie takie, jakie astrofizycy spodziewali się odkryć. [33] Ta brakująca część mechanizmu znajdowała się dokładnie tam, gdzie podejrzewali. Co więcej, pomiary te rozwiązały kilka intrygujących zagadek o samym początkowym Wszechświecie – z czego się składał i jak funkcjonował. Uczeni mogli zawęzić teorie powstawania galaktyk do tych, które obejmują zarówno zwykłą materię, jak i niesamowity składnik zwany materią egzotyczną. Więcej na ten temat w rozdziale 5 pt. „Odkrycia XXI wieku”.

Potwierdzenia

Żeby niczego nie opuścić, muszę poinformować, że te niezwykle istotne wyniki COBE (patrz rys. 4.3 załącznik) spotkały się początkowo z krytyką ze strony kilku astronomów, w tym Geoffreya Burbidge'a. [34] Ale ich sceptycyzm inni astronomowie uznali za nieuzasadniony, ponieważ wspomniane nieregularności temperatury pojawiły się przy trzech różnych długościach obserwowanych fal.

W ciągu kilku miesięcy zaczęły gromadzić się potwierdzające dane empiryczne. Przeprowadzono eksperyment przy pomocy balonu, wykonując pomiary przy czterech różnych długościach fal, krótszych niż te trzy zmierzone przez COBE. Wykazał on, że fluktuacje temperatury idealnie pokrywają się z tymi, jakie istnieją na mapach COBE. Edward Cheng, kierujący tym eksperymentem, tak podsumował jego wyniki: „Gdy mamy do czynienia z dwoma zupełnie różnymi układami, jest bardzo mało prawdopodobne, aby przypadkowy szum powodował powstawanie tych samych skupień w tych samych miejscach na niebie”. [35]

Dwanaście miesięcy później dwa radiometry działające na Teneryfie (Wyspy Kanaryjskie, Hiszpania) wykryły faktyczną strukturę kosmicznego promieniowania tła. Podczas gdy pomiary COBE i balonowe były wystarczająco czułe, aby ustalić, że fluktuacje kosmicznego promieniowania tła rzeczywiście istniały, to jednak nie były w stanie określić z potrzebną dokładnością lokalizację i wielkości poszczególnych cech. Tę dokładność osiągnięto dzięki całkowicie niezależnym radiometrom pracującym na trzech różnych długościach fal, dłuższych niż długości fal obserwowane przez COBE i instrumenty w eksperymencie balonowym. Skala kątowa (wielkość kąta na niebie, na którym dokonywano pomiarów) wynosiła 5,5°. Wykryto struktury fluktuacji o średnicy dochodzącej do dziesięciu stopni, a amplituda tych struktur była całkowicie zgodna z wcześniejszymi danymi statystycznymi uzyskanymi przez COBE i eksperyment balonowy. [36]

Kilka tygodni po opublikowaniu wyników z Teneryfy wykryto w skali kątowej około 1° fluktuacje promieniowania tła kosmicznego. Te pomiary są również zgodne z odkryciami COBE i eksperymentu balonowego. [37]

Od tego czasu kilkanaście różnych nowych obserwacji potwierdziło fluktuacje kosmicznego promieniowania tła. [38] W rzeczywistości najnowsze obserwacje są tak wysokiej jakości, że rzucają światło również na inne parametry stworzenia, takie jak wartości kosmicznej gęstości masy, stałej kosmologicznej oraz ilości różnych form materii egzotycznej (patrz kolejne dwa rozdziały).

Niezależne potwierdzenie pochodzi z różnych niedawnych odkryć materii egzotycznej (patrz podtytuł „Odkrycia XXI wieku” w rozdziale 5). Należy pamiętać, że formowanie się galaktyk nie rzuca już żadnych wątpliwości na scenariusz Wielkiego Wybuchu.

Rysunek 4.3 (patrz załącznik): Mapa mikrofalowa całego nieba sporządzona na podstawie rocznych danych zebranych przez DMR (Differential Microwave Radiometers) COBE
Galaktyka Drogi Mlecznej leży poziomo na środku mapy. Dane ze wszystkich trzech długości fal DMR zostały wykorzystane do modelowania i usuwania emisji z naszej galaktyki. Mapa ta ujawniła po raz pierwszy fluktuacje temperatury w kosmicznym promieniowaniu tła. Amplitudy wahań odpowiadają wyjaśnieniom narodzin i wzrostu galaktyk przy użyciu dużych ilości materii egzotycznej.
— Zdjęcie dzięki uprzejmości Jet Propulsion Laboratory, NASA.

Przypisy:
[*] Oryginał: Hugh Ross, Ph.D., The Creator and the Cosmos, NavPress, Bringing Truth to Life, third expanded edition, Colorado Springs, Colorado 2001, s. 34–38. Z jęz. ang. tłum. Kazimierz Jodkowski.
[29] Craig J. Hogan, „Experimental Triumph”, Nature 1990, vol. 344, s. 107–108; J. C. Mather et al., „A Preliminary Measurement of the Cosmic Microwave Background Spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) Satellite”, Astrophysical Journal Letters 1990, vol. 354, s. L37–L40.
[30] Hugh Ross, The Fingerprint of God, 2nd ed. rev., Promise Publishing, Orange, CA 1991, s. 87–88.
[31] Ibid., s. 124.
[32] George F. Smoot et al., „Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer First-Year Maps”, Astrophysical Journal Letters 1992, vol. 396, L1–L6; C.L. Bennett et al., „Preliminary Separation of Galactic and Cosmic Microwave Emission for the COBE Differential Microwave Radiometers”, Astrophysical Journal Letters 1992, vol. 396, L7–L12.
[33] E.L. Wright et al., „Interpretation of the Cosmic Microwave Background Radiation Anisotropy Detected by the COBE Differential Microwave Radiometer”, Astrophysical Journal Letters 1992, vol. 396, L13–L18.
[34] Komentarze Geoffreya Burbidge’a w radiowym talk show „Live from LA” prowadzonym przez Phila Reida w radiostacji KKLA w Los Angeles, CA. Program ten został wyemitowany 11 maja 1992 roku i można było w nim usłyszeć komentarze doktorów G. De Amiciego, Geoffreya Burbidge’a, Russella Humphreysa i Hugh Rossa na temat odkrycia niejednorodności Wielkiego Wybuchu.
[35] Ron Cowen, „Balloon Survey Backs COBE Cosmos Map”, Science News 1992, vol. 142, s. 420.
[36] S. Hancock et al., „Direct Observation of Structure in the Cosmic Background Radiation”, Nature 1994, vol. 367, s. 333–338.
[37] A.C. Clapp et al., „Measurements of Anistropy in the Cosmic Microwave Background Radiation at Degree Angular Scales Near the Stars Sigma Herculis and Iota Draconis”, Astrophysical Journal Letters 1994, vol. 433, L57–L60.
[38] C.L. Bennett et al., „Four-Year COBE Cosmic Microwave Background Observations: Maps and Basic Results”, Astrophysical Journal Letters 1996, vol. 464, L1–L4; C.M. Gutiérrez et al., „New Cosmological Structures on Medium Angular Scales Detected with the Tenerife Experiments”, Astrophysical Journal Letters 1997, vol. 480, L83–L86; E.S. Cheng et al., „Detection of Cosmic Microwave Background Anisotropy by the Third Flight of the Medium-Scale Anisotropy Measurement”, Astrophysical Journal Letters 1997, vol. 488, L59–L62; B. Femenia et al., „The Instituto de Astrofísica de Canarias-Bartol Cosmic Microwave Background Anisotropy Experiment: Results of the 1994 Campaign”, Astrophysical Journal 1998, vol. 498, s. 117–136; Angelica de Oliveira-Costa et al., „Mapping the Cosmic Microwave Background Anisotropy: Combined Analysis of QMAP Flights”, Astrophysical Journal Letters 1998, vol. 509, L77–L80; C.B. Netterfield et al., „A Measurement of the Angular Power Spectrum of the Anisotropy in the Cosmic Microwave Background”, Astrophysical Journal 1997, vol. 474, s. 47–66; S.R. Platt, „Anisotropy in the Microwave Sky at 90 GHz: Results from Python III”, Astrophysical Journal Letters 1997, vol. 475, L1–L4; K. Coble et al., „Anisotropy in the Cosmic Microwave Background at Degree Angular Scales: Python V Results”, Astrophysical Journal Letters 1999, vol. 519, L5–L8; Bharat Ratra et al., „Using White Dish CMB Anisotropy Data to Probe Open and Flat-ΛCDM Cosmogonies”, Astrophysical Journal 505 (1998): 8–11; Joanne C. Baker et al., „Detection of Cosmic Microwave Background Structure in a Second Field with the Cosmic Anisotropy Telescope”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 1999, vol. 308, s. 1173–1178; Bharat Ratra et al., „ARGO CMB Anisotropy Measurement Constraints on Open and Flat-ΛCold Dark Matter Cosmogonies”, Astrophysical Journal 1999, vol. 510, s. 11–19; Martin White, John E. Carlstrom, Mark Dragovan, and William L. Holzapfel, „Interferometric Observation of Cosmic Microwave Background Anisotropies”, Astrophysical Journal 1999, vol. 514, s. 12–24; Bharat Ratra et al., „Cosmic Microwave Background Anisotropy Constraints on Open and Flat-ΛCold Dark Matter Cosmogonies from UCSB South Pole, ARGO, MAX. White Dish, and SuZIE Data”, Astrophysical Journal 1999, vol. 517, s. 549–564; E. Torbet et al., „A Measurement of the Angular Power Spectrum of the Microwave Background Made from the High Chilean Andes”, Astrophysical Journal Letters 1999, vol. 521, L79–L82; A.D. Miller et al., „A Measurement of the Angular Power Spectrum of the Cosmic Microwave Background from l = 100 to 400”, Astrophysical Journal Letters 1999, vol. 524, L1–L4; E.M. Leitch et al., „A Measurement of Anisotropy in the Cosmic Microwave Background on 7’-22’ Scales”, Astrophysical Journal 2000, vol. 532, s. 37–56.

• Pobierz folder
• Zachomikuj folder