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Text File  |  1992-09-10  |  7KB  |  133 lines

  1.                                                                                 SCIENCE, Page 62Echoes of the Big Bang
  2.  
  3.  
  4. By peering back into the beginning of time, a satellite finds
  5. the largest and oldest structures ever observed -- evidence
  6. of how the universe took shape 15 billion years ago
  7.  
  8. By MICHAEL D. LEMONICK/WASHINGTON
  9.  
  10.  
  11.     They were, by far, the largest and most distant objects
  12. that scientists had ever detected: a swath of gargantuan cosmic
  13. clouds some 15 billion light-years from earth. But even more
  14. important, it was the farthest that scientists had ever been
  15. able to peer into the past, for what they were seeing were the
  16. patterns and structures that existed 15 billion years ago. That
  17. was just about the moment -- or more precisely, an infinitesimal
  18. 300,000 years after the moment -- that the universe was born.
  19. What the researchers found was at once both amazing and
  20. expected: NASA'S Cosmic Background Explorer satellite -- COBE
  21. -- had discovered landmark evidence that the universe did in
  22. fact begin with the primeval explosion that has become known as
  23. the Big Bang.
  24.  
  25.     In anticipation of the announcement, an overflow crowd had
  26. crammed into the meeting of the American Physical Society in
  27. Washington last week, and they were not disappointed. "If you're
  28. religious, it's like looking at God," proclaimed the leader of
  29. the research team, George Smoot, an astrophysicist at the
  30. University of California, Berkeley. Princeton astrophysicist
  31. David Spergel, who had recently co-authored a theory that was
  32. demolished by the COBE results, cheerily admitted, "We're dead.
  33. But this is great stuff . . . It's the most important discovery
  34. in cosmology in the past 20 years."
  35.  
  36.     The existence of the giant clouds was virtually required
  37. for the Big Bang, first postulated in the 1920s, to maintain
  38. its reign as the dominant explanation of the cosmos. According
  39. to the theory, the universe burst into being as a
  40. submicroscopic, unimaginably dense knot of pure energy that flew
  41. outward in all directions, spewing radiation as it went,
  42. congealing into particles and then into atoms of gas. Over
  43. billions of years, the gas was compressed by gravity into
  44. galaxies, stars, planets and, eventually, even humans.
  45.  
  46.     The first evidence of this scenario was established in
  47. 1964, when astronomers discovered the cosmic microwave
  48. background, the original radiation from the Big Bang. The second
  49. part, though, was much trickier. In order for gravity to make
  50. galaxies out of atoms, it needed something to work with -- some
  51. chunks of space in which the atoms were closer together, a
  52. region of greater than average density, so that they could draw
  53. surrounding matter in. The excess densities need not have been
  54. very large, but they had to be there if matter was to congeal.
  55. And if they were present, they should be visible to a sensitive
  56. enough probe in the form of warm and cool spots mottling the
  57. microwave background.
  58.  
  59.     The COBE satellite was designed to be sensitive enough,
  60. but the first maps of the microwave sky it beamed down showed
  61. nothing. That was not a big problem. The research team knew that
  62. the cosmic microwaves are polluted with local microwaves from
  63. the Milky Way galaxy and that it would take months of computer
  64. analysis to weed out the unwanted signals.
  65.  
  66.     In the end, it took more than a year. What finally
  67. appeared on the computer screens at the Goddard Space Flight
  68. Center in Maryland was a map with blotches of all sizes
  69. indicating regions of the sky where the microwaves are a
  70. minuscule 30 millionths of a degree warmer or cooler than
  71. average -- almost imperceptible, but enough to save the Big Bang
  72. theory. Says University of California, Berkeley, astronomer
  73. Joseph Silk: "They've found the missing link. This removes the
  74. biggest remaining objection to the Big Bang."
  75.  
  76.     Because the microwaves have been traveling for 15 billion
  77. years to get to the COBE sensors, the warm patches have long
  78. since evolved into groups of galaxies. Even the smallest patch
  79. observed by COBE is by far the largest area ever surveyed. The
  80. structures dwarf the "great wall" of galaxies discovered in
  81. 1990. The largest spans one-third of the known universe, or 10
  82. billion light-years, which is 60 billion trillion (60 followed
  83. by 21 zeros) miles.
  84.  
  85.     COBE is designed to see just the biggest structures, but
  86. astronomers would like to see much smaller hot spots as well,
  87. the seeds of local objects like clusters and superclusters of
  88. galaxies. They shouldn't have long to wait. Astrophysicists
  89. working with ground-based detectors at the South Pole and
  90. balloon-borne instruments in the stratosphere are closing in on
  91. such structures, and may report their findings soon.
  92.  
  93.     If the small hot spots look as expected, that will be a
  94. triumph for yet another scientific idea, a refinement of the Big
  95. Bang called the inflationary universe theory. Inflation says
  96. that very early on, the universe expanded in size by more than
  97. a trillion trillion trillion trillionfold in much less than a
  98. second, propelled by a sort of antigravity. Bizarre though it
  99. sounds, cosmic inflation is a scientifically plausible
  100. consequence of some respected ideas in elementary-particle
  101. physics, and many astrophysicists have been convinced for the
  102. better part of a decade that it is true.
  103.  
  104.     One prediction that comes out of the theory of inflation
  105. is that the mix of big and small hot spots in the early
  106. universe should follow a characteristic pattern. The spots COBE
  107. found conform to that pattern, and scientists like Smoot expect
  108. that the smaller hot spots will too. Another prediction of
  109. inflation is the surprising notion that everything astronomers
  110. can see, including all the stars and galaxies, constitutes just
  111. 1% of existing matter. The other 99% of the universe is dark and
  112. invisible.
  113.  
  114.     There is already strong evidence that at least some dark
  115. matter must exist. The Milky Way and virtually all other
  116. galaxies rotate so fast that they should literally fly apart --
  117. unless the gravity from invisible halos of dark matter is
  118. holding them together. The halos still fall short of what
  119. inflation requires, but bolstered by the latest results,
  120. theorists are sure the rest will be found. Says Paul Steinhardt,
  121. a University of Pennsylvania physicist who helped develop
  122. inflation: "We were confident in our theory, of course, but it's
  123. always nice to know that Nature is cooperating."
  124.  
  125.  
  126.  
  127.  
  128.  
  129.  
  130.  
  131.  
  132.  
  133.