การพบคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังจากอวกาศ

หลังบิกแบง 300,000ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 10,000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ ซึ่งในการหลอมรวมนิวเคลียสจะมีพลังงานส่วนหนึ่งเกิดขึ้นในรูปของคลืนแม่เหล็กไฟฟ้า ในรูปของพลังงานแสง ถือเป็นแสงแรกของเอกภพ ปัจจุบันนักดาราศาสตร์สามารถวัดหรือสังเกตการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เก่าแก่นี้ได้ เรียกว่า CMB หรือ Cosmic-microwave Background Radiation

หลังจากบิกแบง แล้วเอกภพก็ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ทำให้เราเกิดความสังสัยเกี่ยวกับขอบของจักรวาล เอกภพของเราในปัจจุบันกว้างขนาดไหน แต่เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วจำกัดที่ 3 x 10⁸ เมตรต่อวินาที ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลนั้นต้องอาศัยเวลาในการเดินทาง เราจึงเห็นภาพ ดาวในอดีตบนท้องฟ้า ยกตัวอย่างเช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวซิริอุสในกลุ่ม ดาวสุนัขใหญ่ที่เราเห็นคืออดีตของมันเมื่อ 8 ปีที่แล้วเนื่องจากดาวซิริอุสอยู่ห่างจากเราเป็นระยะทาง 8 ปีแสง เช่นเดียวกับกาแลกซี่แอนโดรเมดาที่อยู่ ห่างไปประมาณ 2.9 ล้านปีแสงก็คือภาพในอดีตเมื่อประมาณ 2.9 ล้านปีล่วงมาแล้ว แม้แต่ดวงอาทิตย์เองก็เป็นภาพเมื่อ 8 นาทีก่อน จากความรู้นี้ประกอบกับ ทฤษฎีบิ๊กแบงที่กล่าวว่าเอกภพมีจุดเริ่มต้นและมีอายุจำกัดที่ ประมาณ 14,000 ล้านปี ดังนั้นเวลาที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ในการเดินทางมา ยังโลกจะต้องไม่มากไป กว่า 14,000 ล้านปี นักฟิสิกส์เรียกระยะทาง14,000 ล้านปีแสงนี้ว่า "ขอบฟ้า ของจักรวาล (Cosmic Horizon)

จากทฤษฎีสนามรวม (Grand Unification Theory : GUT) ซึ่งกล่าวว่าเอกภพประกอบด้วย อันตรกริยาทั้งหมดสี่แรงคือ แรงทางแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม , แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงโน้มถ่วง โดยแรงทั้งสี่ชนิดจะเป็นอันตรกริยา รวมทั้งหมดที่พลังงานสูงมากๆ เรียกว่า Supergavity หลังจากที่พลังงานต่ำลง จาก"การขยายตัวออกอย่างรุนแรงของเอกภพ " (inflation) อันตรกริยารวมทั้ง หมดได้แยกออกจากกันจนมาเป็นอันตรกริยาทั้งสี่เช่นใน

พบว่าแรงทางแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มแยกตัวออกมาเมื่อประมาณ 10^-10 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง แต่เอกภพที่มีอายุประมาณ 300,000 ปี หลังบิ๊กแบงนั้นมีความหนาแน่นมากจนกระทั่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีเส้นทางเดินอิสระเฉลี่ย (Mean free path) ต่ำมาก ดังรูป หมายความว่าก่อนหน้านั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ยังไม่สามารถหลุดออกจากเอกภพในยุคนั้นได้เลย

ทฤษฎี CMB มีการ ศึกษาครั้งแรกในปี 1948 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ จอร์จ กามอฟ (George Gamow) ได้เสนอภาพของเอกภพในช่วงต้น (Early Universe) มีอุณหภูมิ และความหนาแน่นสูงมากทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขณะนั้นอยู่ในช่วงรังสี คอสมิก แต่เนื่องจากเอกภพมีการขยายตัว ทำให้ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟ้าที่หลงเหลืออยู่ในปัจจุบันถูกยืดออกให้มีความยาวคลื่นในช่วง ไมโครเวฟ ซึ่งสอดคล้องกับการคำนวณอุณหภูมิของเอกภพโดยกามอฟได้ ประมาณ 2.7 เคลวิน

ในปี ค.ศ. 1965 โดยอาร์โน เพ นเซียส (Arno Penzias) และโรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) ได้สังเกตพบ แหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟจากทุกทิศทุกทางโดยใช้สายอากาศขนาดใหญ่ติดกับดาว เทียม เพนเซียสและวิลสันสามารถคำนวณอุณหภูมิของเอกภพในปัจจุบัน ได้ 2.73 เคลวิน ต่อมาในปี 1991 องค์การนาซาได้ส่งดาว เทียม COBE (Cosmic Background Explorer) ขึ้นไปวัด CRB ด้วยอุปกรณ์ที่ดี กว่าและคำนวณได้อุณหภูมิ 2.725 เคลวิน

สเปกตรัม ของ CRB ที่ได้จากข้อมูลการสังเกตการณ์ของดาวเทียม COBE มีลักษณะเป็นเส้น โค้งการแผ่รังสีของวัตถุดำที่อุณหภูมิ 2.725 เคลวิน ซึ่งเกิดจากแหล่งกำเนิด แสงความยาวคลื่นในช่วงไมโครเวฟ สอดคล้องกับการคำนวณที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ถูกยืดออกจากความยาวคลื่นเดิมจากการขยายตัวของเอกภพไม่มีการขยายตัว

เส้นโค้งการแผ่รังสีของ วัตถุดำที่สังเกตการณ์ได้ดังกล่าวจะไม่ถูกยืดออก และสามารถวัดอุณหภูมิของ แหล่งกำเนิดแสงได้ค่ามากกว่า 3,000 เคลวิน ซึ่งสอดคล้องกับแหล่งกำเนิดแสง ความยาวคลื่นในช่วงรังสีคอสมิก ทำให้นักฟิสิกส์สามารถทำนายได้ว่าเอกภพใน ช่วงรอยต่อที่เวลา 300,000 ปีหลังจากเกิดบิ๊กแบงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรแม้ ว่าจะไม่สามารถตรวจวัดแสงก่อนหน้ายุคนั้น

ก่อนหน้า ถัดไป แบบทดสอบ