Bagaimana Satelit Astronomi Planck Selamanya Mengubah Persepsi Kita terhadap Semesta

Detailing sisa cahaya dari Big Bang terus meningkat berkat citra satelit baru. Hasil akhir terbaru dari satelit Planck memberi kita gambaran paling akurat tentang alam semesta.

Lebih dari 50 tahun telah berlalu sejak saat manusia menemukan aliran seragam radiasi gelombang mikro energi rendah yang datang dari seluruh penjuru langit. Itu tidak datang dari Bumi, bukan dari Matahari, dan bahkan dari Galaksi; itu berasal dari tempat-tempat di luar bintang atau galaksi mana pun yang pernah kita amati. Dan meskipun para penemunya pada awalnya tidak tahu apa yang ia maksudkan, sekelompok fisikawan yang terletak tidak jauh dari mereka sudah mengembangkan eksperimen untuk mencari fitur ini secara tepat: cahaya residual teoretis dari Big Bang.

Pada awalnya itu disebut bola api primordial, dan kemudian kami menyebutnya relik radiasi (RI) [ atau latar belakang gelombang mikro kosmik, latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) / sekitar. perev. ], dan propertinya telah diukur dengan detail terkecil. Observatorium paling canggih dari sifat-sifatnya yang pernah diukur adalah satelit astronomi Planck dari European Space Agency , diluncurkan pada 2009. Satelit itu mengumpulkan satu set data lengkap selama beberapa tahun, dan para ilmuwan baru saja menyelesaikan dan menerbitkan analisis akhir mereka. Dan inilah cara dia mengubah pandangan kita tentang alam semesta selamanya .


Luminescence residual dari Big Bang, RI, tidak homogen, dan memiliki banyak ketidaksempurnaan kecil dan fluktuasi suhu dalam kisaran beberapa ratus microkelvin. Dan meskipun ini memainkan peran besar dalam periode setelah pertumbuhan gravitasi, penting untuk diingat bahwa di Alam Semesta awal, serta Semesta berskala besar di zaman kita, heterogenitas mencapai nilai hanya 0,01%. Planck menemukan dan mengukur fluktuasi ini dengan presisi yang sebelumnya tidak tersedia.

Foto masa bayi alam semesta ini, yang menunjukkan cahaya yang dipancarkan ketika dia baru berusia 380.000 tahun, adalah yang terbaik dari semua yang pernah dibuat. Pada awal 1990-an, satelit COBE memberi kami pendekatan pertama untuk itu, peta RI untuk seluruh langit dengan resolusi sekitar 7 derajat. Sekitar 10 tahun yang lalu, WMAP mampu meningkatkan resolusi hingga setengah derajat.

Bagaimana dengan Planck? Papan sangat sensitif sehingga keterbatasannya bukan disebabkan oleh instrumen yang mampu bekerja dengan resolusi hingga 0,07 °, tetapi oleh astrofisika mendasar dari Semesta itu sendiri! Dengan kata lain, pada tahap pengembangan Semesta ini, mustahil untuk mendapatkan citra yang lebih baik daripada yang berhasil Planck. Meningkatkan resolusi tidak akan memberi Anda lebih banyak informasi tentang ruang.


COBE, satelit RI pertama, mengukur fluktuasi dengan resolusi 7º. WMAP berhasil meningkatkan resolusi menjadi 0,3 ° dalam lima rentang frekuensi yang berbeda, dan Planck melakukan pengukuran dengan akurasi sudut hingga 5 menit (0,07 °) di sembilan rentang frekuensi yang berbeda.

Selain itu, Planck dapat mengukur radiasi ini dan fluktuasi dalam jumlah rentang frekuensi yang lebih besar (secara total, dalam sembilan) daripada satelit lainnya sebelumnya. COBE memiliki empat rentang (dan hanya tiga yang berguna), dan WMAP memiliki lima rentang. COBE dapat mengukur fluktuasi suhu setinggi 70 μK; Planck mampu meningkatkan akurasi hingga 5 μK.

Resolusi tinggi, kemampuan untuk mengukur polarisasi cahaya ini, dan berbagai rentang frekuensi membantu kami memahami, mengukur, dan mengurangi efek yang dihasilkan oleh debu di Galaxy kita dengan lebih baik daripada sebelumnya. Untuk memahami cahaya residual dari Big Bang, perlu untuk mempelajari dengan akurat efek-efek yang dapat mencemari sinyal yang diinginkan. Langkah ini harus dilakukan sebelum mengambil informasi kosmologis apa pun.


Peta debu penuh dari Bima Sakti yang diperoleh oleh Planck menunjukkan peta dua dimensi resolusi rendah dari distribusi debu di Galaksi. "Suara" ini harus dikurangi untuk menciptakan kembali sinyal kosmik prasejarah latar belakang kita.

Setelah menerima sinyal penuh dari Semesta awal, itu dapat dianalisis dan semua informasi yang mungkin diekstraksi. Ini berarti mengekstraksi dari fluktuasi suhu yang terjadi pada skala besar, menengah dan kecil, seperti informasi:

• berapa banyak materi normal, materi gelap dan energi gelap di alam semesta,
• apa distribusi awal dan spektrum fluktuasi kepadatan,
• apa bentuk dan kelengkungan alam semesta.

Nilai-nilai suhu di titik-titik panas dan dingin, serta skalanya, menunjukkan kelengkungan Alam Semesta. Dimensi terbaik kami memberi kami alam semesta yang datar. Osilasi akustik Baryonic dan RIs bersama-sama memberikan metode terbaik untuk membatasi kesalahan pengukuran ini menjadi 0,1%.

Apa yang terjadi pada skala yang berbeda tidak saling bergantung, tetapi sangat tergantung pada komposisi Alam Semesta. Kami juga dapat mempelajari sifat polarisasi radiasi ini, dan mendapatkan lebih banyak informasi, misalnya:

• ketika reionisasi Semesta terjadi (dan, dengan demikian, pembentukan bintang mencapai batas tertentu),
• apakah ada fluktuasi yang melebihi skala cakrawala,
• dapatkah kita melihat hasil dari aksi gelombang gravitasi,
• jumlah dan suhu neutrino sekaligus

dan masih banyak lagi. Meskipun suhu RI yang diperoleh oleh kami masih tetap pada level 2,725 K, lebih banyak yang telah diketahui oleh kami selama beberapa dekade. Mengingat semua ini, inilah bagaimana Planck selamanya mengubah pemahaman kita tentang alam semesta.


Data satelit Planck, bersama dengan set data tambahan, memberi kami batasan yang sangat ketat pada nilai yang mungkin dari parameter kosmologis. Secara khusus, tingkat ekspansi Hubble berkisar antara 67 hingga 68 km / s / Mpc.

Ada lebih banyak hal di Alam Semesta, dan tingkat ekspansi kurang dari yang kita duga. Sebelum Planck, kami percaya bahwa di Semesta ada 26% materi dan 74% energi gelap, dan kecepatan ekspansi sekitar 70 km / s / Mpc.

Dan sekarang?

Di Semesta, 31,5% materi ternyata (4,9% normal, dan sisanya gelap), 68,5% energi gelap, dan kecepatan ekspansi 67,4 km / s / Mpc. Selain itu, kecepatan memiliki kesalahan kecil (~ 1%) sehingga bertentangan dengan pengukuran yang dilakukan berdasarkan jarak ruang tangga , dari mana kecepatannya adalah 73 km / s / Mpc. Ini mungkin merupakan kontradiksi terbesar dari semua yang berkaitan dengan konsep modern semesta.


Penyesuaian jumlah spesies neutrino diperlukan untuk mencocokkan data pada fluktuasi RI. Data ini sesuai dengan latar belakang neutrino dengan suhu yang secara ekuivalen setara dengan 1,95 K, yang jauh lebih rendah daripada foton sinar-X. Hasil terbaru dari Planck juga menunjukkan hanya tiga jenis neutrino ringan.

Kami belajar dari Planck bahwa hanya ada tiga jenis neutrino, dan bahwa massa masing-masing spesies tidak dapat melebihi 0,4 eV / s ² : ia 10 juta kali lebih kecil dari satu elektron. Kita tahu bahwa suhu kosmik dari neutrino ini sesuai dengan 72% dari suhu / energi kinetik dari foton RI; jika mereka tidak memiliki massa, maka hari ini suhu mereka akan menjadi 2 K.

Kita juga tahu bahwa Alam Semesta sangat, sangat datar dalam hal kelengkungan spasial secara keseluruhan. Dengan menggabungkan data dari Planck dengan data tentang pembentukan struktur skala besar, kita dapat menetapkan bahwa kelengkungan Semesta tidak melebihi 1/1000, artinya Semesta tidak dapat dibedakan dari datar sempurna.


Fluktuasi RI didasarkan pada fluktuasi primer yang dihasilkan oleh inflasi. Secara khusus, bagian datar grafik pada skala besar (kiri) tidak dapat dijelaskan tanpa inflasi. Garis lurus menunjukkan benih dari mana pola dip dan puncak akan muncul selama 380.000 tahun pertama Semesta, dengan asumsi bahwa n _s = 1. Spektrum nyata data dari Planck memberikan penyimpangan kecil tapi penting: n _s = 0,965

Kami juga memiliki bukti terbaik hari ini bahwa fluktuasi kepadatan sangat cocok dengan prediksi teori inflasi kosmik. Model inflasi yang paling sederhana meramalkan bahwa fluktuasi kelahiran Semesta sama pada semua skala, dan dalam skala besar mereka sedikit lebih kuat daripada yang kecil.

Untuk Planck, ini berarti bahwa salah satu jumlah yang dapat diturunkan, n _s , harus hampir 1, tetapi sedikit lebih rendah dari itu. Pengukuran Planck menjadi yang paling akurat dari semuanya, dan inflasi yang dikonfirmasi dengan sempurna: n _s = 0,965, dengan kesalahan kurang dari 0,05%.


Data dari Planck sendiri tidak memberikan batasan yang sangat ketat pada persamaan keadaan energi gelap. Tetapi jika kita menggabungkannya dengan satu set data lengkap pada struktur skala besar dan supernova, kita pasti dapat menunjukkan bahwa energi gelap sangat cocok dengan kerangka konstanta kosmologis murni (persimpangan dua garis putus-putus).

Ada juga pertanyaan apakah energi gelap adalah konstanta kosmologis yang sesungguhnya, dan sangat peka terhadap RI dan data dari sudut terjauh Semesta - misalnya, tipe Ia supernova. Jika energi gelap adalah konstanta kosmologis yang ideal, maka persamaan keadaannya, yang ditentukan oleh parameter w, harus persis sama dengan -1.

Nilai terukur?

Kami menemukan bahwa w = -1,03, dengan kesalahan 0,03. Bukti yang mendukung opsi lain tidak diamati, yaitu, Kompresi Besar dan Kesenjangan Besar tidak mendukung data ini.


Pengukuran terbaik kami tentang rasio jumlah materi gelap, materi normal, dan energi gelap di Semesta hari ini, dan bagaimana mereka berubah pada tahun 2013: sebelum Planck dan setelah rilis data Planck pertama. Hasil akhir yang diperoleh dari Planck tidak lebih dari 0,2% berbeda dari yang pertama.
Kiri - sebelum, kanan - sesudah. Akibatnya, kita memiliki 68,3% energi gelap, 26,8% materi gelap, dan 4,9% materi biasa

Nilai-nilai lain telah sedikit berubah. Alam semesta sedikit lebih tua (13,8 bukannya 13,7 miliar tahun) dari yang kita duga sebelumnya; jarak ke tepi Alam Semesta yang diamati sedikit lebih sedikit (46,1 bukannya 46,5 miliar tahun cahaya) daripada yang ditunjukkan WMAP; pembatasan pada besarnya gelombang gravitasi yang diciptakan oleh inflasi sedikit meningkat. Parameter rasio tensor-skalar, r, ke Planck dibatasi dari atas dengan nilai 0,3. Sekarang, dengan data dari Planck tentang struktur skala besar dan eksperimen lainnya (misalnya, BICEP2 dan massif Keck), kami dapat dengan yakin mengatakan bahwa r <0,07. Ini tidak termasuk beberapa pola inflasi yang sebelumnya dianggap mungkin.


Vertikal adalah rasio tensor terhadap skalar ®, horizontal adalah indeks spektral skalar (ns), ditentukan oleh Planck dan data tentang supernova dan struktur skala besar. Perhatikan bahwa jika n _s dibatasi dengan baik, maka ini tidak dapat dikatakan tentang r. Sangat mungkin bahwa r akan menjadi sangat kecil (hingga 0,001 atau bahkan kurang). Keterbatasan Planck, meskipun yang terbaik tersedia, masih belum cukup baik.

Dan sekarang, dengan semua data ini, ide-ide apa tentang Alam Semesta dan komponen-komponennya yang dapat kita katakan "ya", dan yang "tidak"?

• Ya - inflasi, tidak - ke gelombang gravitasi setelahnya.
• Ya - dengan tiga neutrino super ringan dari model standar, tidak - dengan ekstensi.
• Ya - ekspansi sedikit lebih lambat, Semesta yang lebih tua, tidak - bukti kelengkungan spasial.
• Ya - sedikit lebih gelap dan lebih normal, ya - sedikit lebih gelap.
• Tidak - energi gelap yang berubah, Celah Besar dan Kompresi Hebat.

Hasil akhir dari kolaborasi Planck menunjukkan kecocokan yang sangat tepat antara prediksi kosmologi dan kelimpahan energi gelap dan materi gelap (garis biru) dengan data (titik merah dan kesalahan hitam). Semua 7 puncak akustik sangat cocok dengan data.

Yang paling penting, ada konsistensi luar biasa dengan keakuratan yang belum pernah terjadi sebelumnya antara RI yang diamati dan prediksi teoritis tentang perilaku Semesta dengan 5% materi normal, 27% materi gelap, dan 68% energi gelap. Beberapa dari nilai-nilai ini dapat berfluktuasi dalam 1-2%, tetapi Semesta tidak dapat eksis tanpa sejumlah besar materi gelap dan energi gelap. Mereka nyata, mereka perlu, dan prediksi mereka cocok dengan seluruh kumpulan data.

Inflasi, fisika neutrino, dan Big Bang telah menerima konfirmasi tambahan, dan alternatif serta opsi khusus menjadi semakin terbatas. Jelas, seperti yang ditulis kolaborasi Planck, "Kami belum menemukan bukti yang meyakinkan tentang perlunya memperluas model lambda-CDM ." Akhirnya, kita dapat menyatakan dengan sangat yakin apa yang dibuat dari Semesta.