Anisotropie von CMB Radiation & Cobe
In diesem Kapitel werden wir die Anisotropie von CMB-Strahlung und COBE, dh Cosmic Background Explorer, diskutieren.
Primäre Anisotropien im CMB
Um die Beobachtungen aus dem Weltraum und die primären Anisotropien in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu verstehen, nehmen wir die folgenden Gleichungen und verstehen sie wie unten gezeigt.
CMB-Photonenzahldichte (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Gesamt \: Energie \: Dichte} {Charakteristik \: Energie \: von \: Photonen} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
Wo $ k_B $ ist Boltzmann Constant und $ T_0 $ ist das present temperature of the universe.
Unter Verwendung der gegenwärtigen Temperatur $ (T_0) $ als 2,7 K erhalten wir die aktuelle CMB-Photonenzahldichte als 400 cm –3 .
Die Dichte der kosmischen Sternphotonenzahl ist über große Maßstäbe viel kleiner (∼ = 10 –3 cm –3 ).
Verhältnis von Baryon zu Photon (η)
Wenn die Sternbeiträge von Galaxien, die sich mit CMB vermischen, vernachlässigbar sind, beträgt das Verhältnis von Baryon zu Proton -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
Der aktuelle Wert beträgt ~ 5 × 10 –10 . Da sowohl die Photonen- als auch die Baryonenzahldichte proportional zu sinda−3, dann η entwickelt sich nicht mit der Zeit.
Energiedichte
Im Gegensatz zur Zahlendichte ist derzeit die Materieenergiedichte dominierter als die Photonenenergiedichte.
Die Energiedichte der baryonischen Materie = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Während die Energiedichte der Strahlung = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ mal 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
Isotropie der CMB-Strahlung
Penzias und Wilsonfanden heraus, dass der CMB innerhalb der Grenzen der Beobachtungen isotrop ist. Die Grenzen sind niedrige Winkelauflösung und Empfindlichkeit der Instrumente. Sie machten Beobachtungen von der Erde aus, daher können Beobachtungen nicht über das gesamte Spektrum gemacht werden, da Wasserdampf in der Atmosphäre viele Wellenlängen im Bereich von 1 mm bis 1 m absorbiert. CMB kann also nicht als Spektrum behauptet werden.
Es wird angenommen, dass der CMB rotationsinvariant (isotrop) ist. Da es eine Zeit gab, in der Materie und Strahlung im Gleichgewicht waren, ist die Bildung von Strukturen im Universum unerklärlich. Da die Verteilung der Materie nicht isotrop ist, sondern wie ein kosmisches Netz mit großen Hohlräumen dazwischen zusammengeklumpt ist, wird angenommen, dass CMB einen extragalaktischen Ursprung hat.
Zu Beginn der Beobachtungen aus dem Weltraum wurden jedoch Anisotropien im CMB gefunden, die zu der Annahme führten, dass diese Anisotropien in der Materie zur Bildung von Strukturen führen.
Beobachtung der CMB-Strahlung aus dem Weltraum
Die Hauptsatelliten, die zur Beobachtung des CMB gestartet wurden, waren -
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) und
Planck (2009).
COBE (Cosmic Background Explorer)
COBE hatte hauptsächlich zwei Instrumente. Sie sindFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) und Differential Microwave Radiometers(DMR-Antennen). FIRAS misst die Intensität des CMB als Funktion der Wellenlänge entlang einer bestimmten Richtung. Während DMR 3 Antennen hat, um den Intensitätsunterschied von CMB aus drei verschiedenen Richtungen zu messen. Die folgenden Hinweise geben uns weitere Informationen zu FIRAS und DMR.
CMB-Beobachtungen von FIRAS zeigen, dass die CMB-Strahlung dem Schwarzkörperspektrum bei T = 2,72528 ± 0,00065 K entspricht.
Das DMR misst drei Frequenzen (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) in alle Himmelsrichtungen.
Das „rote Batman-Symbol“ in den DMR-Beobachtungen ist Rauschen aus der Vordergrundemission (galaktische diffuse Synchrotronemission).
Die Intensitätsschwankungen in den Beobachtungen entsprechen Temperaturschwankungen. Das Vorhandensein von heißen und kalten Stellen beweist, dass die CMB-Strahlung anisotrop ist.
Diese Anisotropie muss zum Zeitpunkt der Entkopplung vorliegen, da es keine Verzerrungen in CMB gibt. Materie sollte also einige Taschen mit einer höheren Dichte als die anderen haben.
COBE-Ergebnisse
Das CMB-Spektrum (Intensität als Funktion der Energie) ist nahezu ein perfekter schwarzer Körper, der T = 2,7 K entspricht. Die spezifische Intensität der CMB-Strahlung ist für alle Richtungen nahezu gleich. Bestätigung, dass das Universum im großen Maßstab isotrop ist (bestätigt unsere Annahme des kosmologischen Prinzips).
Die Analyse der Daten zeigte, dass es bei der Auflösung von COBE (DMR) Temperaturanisotropien („Schwankungen“) im CMB-Spektrum gibt.
Resolution of COBE, WMAP, Planck
Das an Bord befindliche DMR-Instrument COBE hatte eine begrenzte (maximale) räumliche Auflösung von ∼ 7 Grad.
Die Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) hatte eine durchschnittliche Auflösung von ≤ 0,7 Grad.
Der Planck-Satellit hat eine Winkelauflösung von ∼ 10 Bogenminuten.
Punkte, die man sich merken sollte
Die kosmische stellare Photonenzahldichte ist viel kleiner als die CMB-Photonenzahldichte.
Wir leben in einem von Materie dominierten Universum, da die Energiedichte der Materie höher ist als die Photonenenergiedichte.
COBE, WMAP, Planck sind Bemühungen, Anisotropien in der CMB zu messen und zu quantifizieren.
Die Strukturbildung im Universum ist ein Ergebnis von CMB-Anisotropien.