Η μέτρηση της θερμοκρασίας του σύμπαντος από τον Ohm

Posted on 16/10/2013

0


Ο E. A. Ohm ήταν ο πρώτος που ανίχνευσε την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου

Όχι βέβαια ο G. S. Ohm (1789 – 1854), που διατύπωσε τoν ομώνυμο νόμο στον ηλεκτρισμό (Ι=V/R), αλλά ο E. A. Ohm που την δεκαετία του 1960 εργαζόταν στo εργαστήριο Bell στις ΗΠΑ.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960 το εργαστήριο Bell διέθετε μια ασυνήθιστη ραδιοφωνική κεραία πάνω στο λόφο του Crawford στο Holmdel του New Jersey.
Η κεραία είχε στηθεί για επικοινωνία μέσω του δορυφόρου Ηχώ, αλλά οι προδιαγραφές της, δηλαδή ένας ανακλαστήρας 6 μέτρων με εξαιρετικά χαμηλούς θορύβους) την κατέστησαν ένα επιστημονικό όργανο πολλά υποσχόμενο στη ραδιοαστρονομία.

Η κεραία, πάνω στο λόφο του Crawford στο Holmdel του New Jersey, με την οποία οι Penzias και Wilson ανακάλυψαν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου

Η κεραία των εργαστηρίων Bell, πάνω στο λόφο του Crawford στο Holmdel του New Jersey, με την οποία οι Penzias και Wilson ανακάλυψαν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου

Την κεραία αυτή χρησιμοποίησαν οι ραδιοαστρονόμοι, Arno A. Penzias και Robert W. Wilson, για να μετρήσουν την ένταση των ραδιοκυμάτων που εκπέμπονται από το Γαλαξία μας σε περιοχές μεγάλου γαλαξιακού πλάτους … τελικά όμως, χωρίς να το περιμένουν, έκαναν μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στην κοσμολογία. Ανίχνευσαν την αρχέγονη ακτινοβολία που περίσσεψε από τα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης, όταν η ύλη έπαψε να αλληλεπιδρά με την ακτινοβολία.
Την ακτινοβολία αυτή την ονομάζουμε κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.
Η ανακάλυψη έγινε εντελώς τυχαία, καθώς οι Penzias και Wilson προσπαθούσαν να μειώσουν όσο το δυνατόν περισσότερο τον θόρυβο της κεραίας.

Στο εσωτερικό των κεραιών παράγεται ένας αναπόφευκτος ηλεκτρικός θόρυβος, εξαιτίας των τυχαίων μετακινήσεων των ηλεκτρονίων και εξαιτίας των κυκλωμάτων ενίσχυσης ή από το ραδιοφωνικό θόρυβο που «συλλέγει» η κεραία από τη γήινη ατμόσφαιρα.
Για να ξεπεραστούν τέτοιου είδους προβλήματα, χρησιμοποιείται μια διάταξη, γνωστή σαν «ψυχρό φορτίο».

Η ισχύς που προέρχεται από την κεραία, συγκρίνεται με την ισχύ που παράγεται από μια τεχνητή πηγή, που ψύχεται με υγρό ήλιο, γύρω στους τέσσερις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ο ηλεκτρικός θόρυβος των κυκλωμάτων ενίσχυσης είναι ο ίδιος και στις δυο περιπτώσεις και γι’ αυτό απαλείφεται με τη σύγκριση, επιτρέποντας μια κατευθείαν μέτρηση της ισχύος που προέρχεται από την κεραία. Η ισχύς της κεραίας που μετρείται μ’ αυτόν τον τρόπο, αποτελείται μόνο από τη συμβολή της ισχύος που προέρχεται από το σύστημα της κεραίας, τη γήινη ατμόσφαιρα και από κάθε άλλη αστρονομική πηγή ραδιοκυμάτων.

Ο ραδιοφωνικός θόρυβος από τη γήινη ατμόσφαιρα, έχει χαρακτηριστική εξάρτηση από τον προσανατολισμό τη κεραίας. Είναι ανάλογος προς το πάχος της ατμόσφαιρας κατά μήκος της διεύθυνσης, προς την οποία είναι στραμμένη η κεραία, δηλαδή μικρότερη κατά την κατακόρυφη διεύθυνση και μεγαλύτερος κατά την οριζόντια.
Μετά την αφαίρεση του ατμοσφαιρικού όρου ο ηλεκτρικός θόρυβος που παράγεται μέσα στο σύστημα της κεραίας, είναι όντως αμελητέος.

Για την περιγραφή της έντασης του ραδιοφωνικού θορύβου χρησιμοποιείται από τους ραδιοηλεκτρολόγους μηχανικούς η έννοια της «ισοδύναμης θερμοκρασίας».

Κάθε σώμα σε οποιαδήποτε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν θα εκπέμπει πάντοτε ραδιοφωνικό θόρυβο, ο οποίος παράγεται εξαιτίας των θερμικών κινήσεων των ηλεκτρονίων μέσα στο σώμα. Στο εσωτερικό ενός κουτιού με αδιαφανή τοιχώματα, η ένταση του ραδιοφωνικού θορύβου σε κάθε δεδομένο μήκος κύματος εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία των τοιχωμάτων. Όσο υψηλότερη γίνεται η θερμοκρασία, τόσο εντονότερα γίνονται τα παράσιτα.

Έτσι, είναι δυνατό να περιγράψουμε την ένταση του ραδιοφωνικού θορύβου που παρατηρήθηκε σε δεδομένο μήκος κύματος, χρησιμοποιώντας κατ’ αντιστοιχία την έννοια της «ισοδύναμης θερμοκρασίας» – τη θερμοκρασία δηλαδή που έπρεπε να έχουν τα τοιχώματα του κουτιού, για να δημιουργηθεί στο εσωτερικό του θόρυβος με την παρατηρούμενη ένταση.

Ένα ραδιοτηλεσκόπιο βέβαια δεν είναι βέβαια θερμόμετρο. Αυτό μετράει την ισχύ των ραδιοκυμάτων, καταγράφοντας τα μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα που τα κύματα προκαλούν στο σύστημα της κεραίας. Όταν ένας ραδιοαστρονόμος λέει «οι παρατηρούμενοι ραδιοφωνικοί θόρυβοι με την τάδε και την τάδε και την τάδε ισοδύναμη θερμοκρασία», εννοεί απλά και μόνο ότι αυτή είναι η θερμοκρασία του αδιαφανούς κουτιού, μέσα στο οποίο θα έπρεπε να τοποθετηθεί η κεραία, για να δημιουργήσει την ένταση του παρατηρούμενου ραδιοφωνικού θορύβου. Εάν τώρα η κεραία είναι ή δεν είναι στην πραγματικότητα ένα τέτοιο κουτί, αυτό βέβαια είναι ένα άλλο ζήτημα.

Θερμοκρασία θορύβου κεραίας: είναι η θερμοκρασία ενός υποθετικού αντιστάτη στην είσοδο ενός ιδανικού δέκτη χωρίς θόρυβο, ο οποίος μπορεί να δημιουργήσει την ίδια ισχύ θορύβου στην έξοδο ανά μονάδα εύρους ζώνης, όπως η έξοδος της κεραίας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα

Θερμοκρασία θορύβου κεραίας: είναι η θερμοκρασία ενός υποθετικού αντιστάτη στην είσοδο ενός ιδανικού δέκτη χωρίς θόρυβο, ο οποίος μπορεί να δημιουργήσει την ίδια ισχύ θορύβου στην έξοδο ανά μονάδα εύρους ζώνης, όπως η έξοδος της κεραίας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα

Πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι οι ραδιοηλεκτρολόγοι μηχανικοί περιγράφουν συνήθως την ένταση του ραδιοφωνικού θορύβου με τη βοήθεια του ειδικού όρου μιας αποκαλούμενης «θερμοκρασίας κεραίας», η οποία είναι κάτι ελαφρώς διαφορετικό από αυτό που χαρακτηρίσαμε σαν «ισοδύναμη θερμοκρασία». Για τα μήκη κύματος και τις εντάσεις που ανίχνευε η ραδιοφωνική κεραία του εργαστηρίου Bell πάνω στο λόφο του Crawford στο Holmdel, οι δυο ορισμοί είναι στην πραγματικότητα ταυτόσημοι.

Τον Απρίλιο του 1961 o E. A. Ohm δημοσίευσε μια εργασία με τίτλο «Receiving System».
Στην εργασία αυτή ο Ohm (του 20ου αιώνα) αναφέρεται σε ένα χαμηλού θορύβου σύστημα λήψης μικροκυμάτων. Ο αναφερόμενος θόρυβος αυτού του συστήματος περιείχε μια υπολοιπόμενη ποσότητα , περίπου 3 βαθμών Kelvin.

Διάγραμμα που περιλαμβάνει την κεραία που χρησιμοποίησε ο Ohm στις μετρήσεις του

Διάγραμμα που περιλαμβάνει την κεραία που χρησιμοποίησε ο Ohm στις μετρήσεις του

Ο E. A. Ohm είχε μετρήσει ως συνολική θερμοκρασία θορύβου του συστήματος τους 22,2 βαθμούς Kelvin, περιλαμβάνοντας τις συνεισφορές του δέκτη, της κεραίας, της ατμόσφαιρας αλλά και του μακρινού ουρανού. Το άθροισμα των ξεχωριστών μετρήσεων κάθε συνιστώσας – εκτός της συνεισφοράς του ουρανού πέραν της ατμόσφαιρας – έδινε την τιμή των 18,9 βαθμών Kelvin.

Απόσπασμα της δημοσίευσης του E. A. Ohm απ’ όπου προκύπτει πως η θερμοκρασία είναι 3,3 Κ μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη

Απόσπασμα της δημοσίευσης του E. A. Ohm απ’ όπου προκύπτει πως η θερμοκρασία είναι 3,3 Κ μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη

Η διαφορά μεταξύ των δυο αυτών τιμών ισούται με 3,3 Κ και αντιστοιχεί στον θόρυβο που οφείλεται στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου (πολύ κοντά στη σημερινή τιμή των 2,725 Κ).

Ο Ohm όμως δεν ήταν τυχερός όπως οι Penzias και Wilson, όταν μετά από λίγα χρόνια βρέθηκαν κι αυτοί μπροστά στο μυστήριο του μικροκυματικού θορύβου.


Ο Steven Weinberg περιγράφει το πως ο Penzias οδηγήθηκε στους κατάλληλους θεωρητικούς φυσικούς που θα έλυναν το μυστήριο, ως εξής:
«….Ο Penzias έτυχε να τηλεφωνήσει σ’ έναν συνάδελφό του ραδιοαστρονόμο, τον Bernard Burke του Μ.Ι.Τ., για θέματα άσχετα με το πρόβλημα του μικροκυματικού θορύβου. Ο Burke μόλις τότε είχε ακούσει από έναν άλλο συνάδελφό του, τον Ken Turner, του Ινστιτούτου Carnegie, για μια ομιλία που ο ίδιος είχε ακούσει με τη σειρά του στο John Hopkins. Η διάλεξη αυτή είχε δοθεί από έναν νεαρό θεωρητικό τoυ Princeton, τον P. J. E. Peebles. Σ’ αυτήν την ομιλία ο Peebles υποστήριζε ότι θα έπρεπε να υπάρχει ένας διάχυτος ραδιοφωνικός θόρυβος που «περίσσεψε» από το Αρχέγονο Σύμπαν, με μια ισοδύναμη θερμοκρασία, σήμερα περίπου 10 K. Ο Burke γνώριζε ήδη ότι ο Penzias μετρούσε θερμοκρασίες ραδιοφωνικού θορύβου με την κεραία των εργαστηρίων Bell. Ενώ λοιπόν μιλούσαν στο τηλέφωνο, βρήκε την ευκαιρία να τον ρωτήσει πως πήγαιναν οι μετρήσεις του. Ο Penzias του είπε ότι πήγαιναν θαυμάσια, αλλά υπήρχε κάτι το ανεξήγητο στα αποτελέσματα αυτά.

Ο Burke έβαλε την ιδέα στον Penzias να σκεφτεί μήπως οι φυσικοί στο Princeton μπορούσαν να έχουν κάποιες ενδιαφέρουσες απόψεις πάνω στο τι ήταν αυτό που δεχόταν η κεραία του ….»

Η ανακάλυψη του Ohm θα μπορούσε να αναδειχθεί από δυο ρώσους ερευνητές, τους  A. G. Doroshkevitch και I. D. Novikov, που ήταν οι πρώτοι που υποστήριξαν ότι θα μπορούσε να ανιχνευθεί ο διάχυτος μικροκυματικός θόρυβος που «περίσσεψε» από το Αρχέγονο Σύμπαν.

Την άνοιξη του 1964, οι Doroshkevich και Novikov, δημοσίευσαν μια εργασία με τίτλο «Mean Density of Radiation in the Metagalaxy and Certain Problems in Relativistic Cosmology», στην οποία  αναφέρεται για πρώτη φορά πως η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μπορεί να ανιχνευθεί ως μικροκυματική ακτινοβολία.
Αυτή η σημαντική εργασία σημείωνε ότι όχι μόνο το φάσμα της υπολειπόμενης ακτινοβολίας θα ήταν πανομοιότυπο με το φάσμα της μικροκυματικής ακτινοβολίας ενός μέλανος σώματος, αλλά θεωρούσε πως θα μπορούσε να ανιχνευθεί από τις κεραίες των εργαστηρίων Bell !

Έτσι αναζήτησαν ανάλογες εργασίες από τα εργαστήρια Bell και εντόπισαν την δημοσίευση του Ohm, αλλά δυστυχώς την παρερμήνευσαν.

Στην δημοσίευση του Ohm η συνεισφορά στο θόρυβο από την ατμόσφαιρα δηλώνεται ως Tsky και είναι 2,3 Κ, γεγονός που συμφωνεί και με την θεωρία της ατμοσφαιρικής εξασθένισης.

Η ονομασία Tsky μπέρδεψε δυο ρώσους ερευνητές, Doroshkevitch και Novikov, οι οποίοι διάβασαν την εργασία του Ohm αναζητώντας στοιχεία για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, ως κατάλοιπο από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης.

Νόμισαν ότι στους 2,3 Κ που αντιστοιχεί στην ακτινοβολία της ατμόσφαιρας, περιέχεται και η συνεισφορά από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, καταλήγοντας έτσι στο συμπέρασμα ότι πρέπει να είναι μηδενική (αφού και οι θεωρητικές προβλέψεις για την θερμοκρασία από την ατμόσφαιρα ήταν γύρω στους 2,3 Κ).

Συμπέραναν λοιπόν λανθασμένα ότι η ισοδύναμη θερμοκρασία της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου που μέτρησε ο Ohm ήταν μικρότερη του 1 Κ.

Αυτό το λανθασμένο συμπέρασμα παρέσυρε και τον μεγάλο θεωρητικό φυσικό της Σοβιετικής Ένωσης, Yakov Borisovich Zel’dovich, ο οποίος από τις αρχές της δεκαετίας του 1960 πραγματοποιούσε με τους συνεργάτες του υπολογισμούς για την αφθονία του ηλίου στο σύμπαν και την ισοδύναμη θερμοκρασία της μικροκυματικής ακτινοβολίας. Η παρερμηνεία των δεδομένων του Ohm απογοήτευσε τον Zel’dovich και προσωρινά εγκατέλειψε την ιδέα ενός θερμού αρχέγονου σύμπαντος.

Ο Steven Weinberg αφιερώνει ένα ολόκληρο κεφάλαιο στο βιβλίο «Τα πρώτα τρία λεπτά» προσπαθώντας να απαντήσει στο ερώτημα «γιατί δεν υπήρξε συστηματική έρευνα για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία πολλά χρόνια πριν από το 1965;»
Η θεωρητική πρόβλεψη για την ύπαρξη αυτής της ακτινοβολίας υπήρχε τουλάχιστον από το 1948 στις σχετικές δημοσιεύσεις των Gamow, Alpher και Ηerman.
Κι όμως κανείς δεν ξεκίνησε κάποια προσπάθεια για την ανίχνευση αυτής της ακτινοβολίας, την οποία τελικά ξανα – ανακάλυψαν τυχαία οι Penzias και Wilson το 1964.

Διαβάστε επίσης: Η ανίχνευση της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου είχε γίνει έμμεσα το 1941 από τον Andrew McKellar 

Διαβάστε περισσότερα:
1. «Receiving System», by E. A. Ohm, 1961

2. The exploration of the unknown, K. I. Kellermann et al

3. THE COSMIC MICROWAVE BACKGROUND RADIATION, Nobel Lecture, 8 December, 1978, By ROBERT W. WILSON

4. THE ORIGIN OF ELEMENTS, Nobel Lecture, 8 December, 1978, By ARNO A. PENZIAS

5. Steven Weinberg: «Τα Πρώτα Τρία Λεπτά»