宇宙マイクロ波背景とは何ですか？

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何千年もの間、人間は宇宙を熟考し、その真の範囲を決定しようと努めてきました。 20世紀までに、科学者たちは宇宙が実際にどれほど広大であるか（そして場合によっては果てしなくても）理解し始めました。

そして、宇宙をより深く、そしてより深く遡る過程で、宇宙論者はいくつかの本当に驚くべきことを発見しました。たとえば、1960年代に、天文学者は全方向で検出可能なマイクロ波背景放射に気づきました。宇宙マイクロ波背景（CMB）として知られているこの放射の存在は、宇宙がどのように始まったかについての理解を深めるのに役立ちました。

説明：

CMBは本質的には電磁放射であり、宇宙全体に浸透する最も初期の宇宙論的時代から残されています。ビッグバンから約38万年後に形成されたと考えられており、最初の星や銀河がどのように形成されたかを微妙に示しています。この放射は光学望遠鏡では見えませんが、電波望遠鏡では、電波スペクトルのマイクロ波領域で最も強い微弱な信号（またはグロー）を検出できます。

CMBは地球からあらゆる方向に138億光年の距離にあり、科学者がこれが宇宙の真の時代であると判断するように指導しています。しかし、それは宇宙の真の範囲を示すものではありません。宇宙は初期の宇宙から膨張の状態にあり（そして光速よりも速く膨張している）、CMBは私たちが見ることができる最も過去の時間に過ぎません。

ビッグバンとの関係：

CMBは、ビッグバン理論と現代の宇宙論モデル（Lambda-CDMモデルなど）の中心です。理論が進むにつれ、宇宙が138億年前に誕生したとき、すべての物質は無限の密度と極端な熱の単一点に凝縮されました。極端な熱と物質の密度のために、宇宙の状態は非常に不安定でした。突然、この点が拡大し始め、私たちが知っている宇宙が始まりました。

このとき、空間は、陽子、中性子、電子、および光子（光）からなる白熱プラズマ粒子の均一な輝きで満たされていました。ビッグバンから38万年から1億5000万年の間、光子は常に自由電子と相互作用し、長距離を移動できませんでした。したがって、この時代が口語的に「暗黒時代」と呼ばれる理由。

宇宙が膨張し続けると、電子は陽子と結合して水素原子を形成できるようになるまで冷却されました（別名、再結合期間）。自由電子がない場合、光子は妨げられずに宇宙を移動でき、今日のように見え始めました（つまり、透明で光が透過します）。数十億年の間に、宇宙は拡大を続け、大きく冷え込みました。

空間の拡大により、光子の波長は約1ミリメートルに増加し（「赤方偏移」になり）、その実効温度は絶対零度-2.7ケルビン（-270°C; -454°F）のすぐ上まで低下しました。これらの光子はスペースマガジンを満たし、遠赤外線および無線波長で検出できる背景グローとして表示されます。

研究の歴史：

CMBの存在は、1948年にウクライナ系アメリカ人の物理学者ジョージガモウとその生徒のラルフアルファーおよびロバートハーマンによって最初に理論化されました。この理論は、軽元素（水素、ヘリウム、およびヘリウム）の元素合成の結果の研究に基づいていますリチウム）非常に初期の宇宙の間に。本質的に、彼らはこれらの元素の核を合成するために、初期の宇宙は非常に熱くなければならないことに気づきました。

彼らはさらに、この非常に暑い期間からの残りの放射線が宇宙に浸透し、検出可能であると理論づけました。宇宙の膨張により、この背景放射は5 K（-268°C; -450°F）の低温になると推定しました。これは、絶対零度よりわずか5度高く、マイクロ波波長に相当します。 CMBの最初の証拠が検出されたのは、1964年まででした。

これは、アメリカの天文学者、アルノペンジアスとロバートウィルソンがディッケ放射計を使用した結果であり、彼らは電波天文学と衛星通信実験に使用することを意図していました。ただし、最初の測定を行ったとき、4.2Kのアンテナ温度の過大に気づきました。これは、説明できず、背景放射の存在によってのみ説明できました。その発見により、ペンジアスとウィルソンは1978年にノーベル物理学賞を受賞しました。

当初、CMBの検出は、異なる宇宙論の支持者間の論争の原因でした。ビッグバン理論の支持者はこれがビッグバンから残された「遺物放射」であると主張したのに対して、定常状態理論の支持者はそれは遠方の銀河からの散乱した星光の結果であると主張しました。しかし、1970年代までに、ビッグバンの解釈を支持する科学的コンセンサスが生まれました。

1980年代、地上の機器はCMBの温度差にますます厳しい制限を課しました。これには、Prognoz 9衛星に搭載されたソビエトRELIKT-1ミッション（1983年7月に打ち上げられた）とNASA Cosmic Background Explorer（COBE）ミッション（1992年に発見されたもの）が含まれます。 COBEチームは、2006年にノーベル物理学賞を受賞しました。

COBEはまた、CMBの最初の音響ピークであるプラズマの音響振動を検出しました。これは、重力の不安定性によって生じた初期宇宙の大規模な密度変化に対応しています。最初の音響ピークのより正確な測定値を提供することを目的とした地上およびバルーンベースの実験からなる、次の10年間で多くの実験が続きました。

2番目の音響ピークは、いくつかの実験で暫定的に検出されましたが、2001年にウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ（WMAP）が導入されるまでは確定的に検出されませんでした。ミッションが終了した2001年から2010年の間に、WMAPも3番目のピークを検出しました。 2010年以降、複数のミッションがCMBを監視し、分極の改善された測定と密度の小さな変動を提供しています。

これらには、DASIのQUEST（QUaD）やアムドセンスコットサウスポールステーションのサウスポール望遠鏡のような地上の望遠鏡、チリのアタカマ宇宙望遠鏡およびQ / Uイメージング実験（QUIET）望遠鏡が含まれます。一方、欧州宇宙機関の プランク 宇宙船は宇宙からCMBを測定し続けます。

CMBの未来：

さまざまな宇宙論によれば、宇宙はある時点で拡大を停止し、逆転を開始し、最後に別のビッグバン（別名、ビッグバン）で崩壊する頂点に達する可能性があります。ビッグクランチ理論。ビッグリップとして知られている別のシナリオでは、宇宙の拡大により、最終的にすべての物質と時空自体が引き裂かれます。

これらのシナリオのどちらも正しくなく、宇宙が加速する速度で拡大し続けた場合、CMBは検出できなくなるポイントまでレッドシフトを続けます。この時点で、それは宇宙で作成された最初の星明かりによって追い越され、次に、想定されるプロセスによって生成された背景放射フィールドによって宇宙の将来に発生します。

私たちは、ここスペースマガジンで宇宙マイクロ波背景に関する多くの興味深い記事を書きました。宇宙マイクロ波背景放射とは何か、ビッグバン理論：宇宙の進化、宇宙インフレーションとは初期の宇宙を理解するための探求、画期的な発見：新しい結果は宇宙のインフレの直接的な証拠を提供し、宇宙はどれほど速く拡大していますか？ハッブルとガイアが協力して、これまでで最も正確な測定を実施しています。

詳細については、NASAのWMAPミッションページとESAのPlanckミッションページをご覧ください。

天文学キャストは、主題に関する情報も持っています。ここで聞く：エピソード5 –ビッグバンと宇宙マイクロ波背景

出典：