Kosmologie - Kosmischer Mikrowellenhintergrund
Das CMB (Cosmic Microwave Background) besteht im Wesentlichen aus den Photonen der Zeit, als sich Materie und Strahlung im Gleichgewicht befanden. In den 1920er Jahren wurde die Idee eines expandierenden Universums akzeptiert und konnte mehrere Fragen beantworten. Fragen zur Fülle schwererer Elemente und zur Fülle blieben jedoch unbeantwortet. Darüber hinaus implizierte das expandierende Universum, dass die Dichte der Materie auf 0 sinken sollte.
1948 erklärten George Gammow und Ralph Alpher mit „Big Bang“ den Ursprung schwererer Elemente und die Fülle. Zusammen mit Robert Herman sagten sie die Existenz von "Reliktstrahlung" oder Strahlung aus dem "Urknall" voraus. Die vorhergesagte Temperatur für diese Reststrahlung lag zwischen 50 und 6 K. 1965 entdeckten Robert Dicke, Jim Peebles und David Wilkinson zusammen mit der Amo Perizias-Forschungsgruppe experimentell den CMB.
Das frühe Universum war sehr heiß und die Energie war zu hoch, als dass die Materie neutral bleiben könnte. Daher lag die Materie in ionisierter Form vor -Plasma. Die Strahlung (Photonen) und Materie (Plasma) wechselwirkten hauptsächlich durch die folgenden drei Prozesse.
Compton Scattering - (Hauptwechselwirkungsprozess) Inelastische Streuung zwischen hochenergetischen Photonen und energiearmen geladenen Teilchen.
Thomson Scattering - Elastische Streuung von Photonen durch ein frei geladenes Teilchen.
Inverse Compton Scattering- Hochenergetische geladene Teilchen und energiearme Photonen. Diese Wechselwirkungen führten schließlich dazu, dass sich Materie und Strahlung im thermischen Gleichgewicht befanden.
Thermisches Gleichgewicht
Im thermischen Gleichgewicht gehorcht die Strahlung dem Planck Distribution of Energy,
$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$
Während dieser Zeit war der mittlere freie Weg der Photonen aufgrund der sehr häufigen Wechselwirkungen sehr klein. Das Universum war strahlungsundurchlässig. Das frühe Universum war strahlungsdominiert. Das Universum entwickelte sich so, dass Materie und Strahlung das thermische Gleichgewicht erreichten und ihre Energiedichte gleich wurde. Dies ist aus dem Diagramm ersichtlich, das die Entwicklung der Dichte mit dem Skalierungsfaktor zeigt. Lassen Sie uns den Skalierungsfaktor (Zeit) (a (t)) herausfinden, bei dem die Materie und die Strahlung das Gleichgewicht erreicht haben.
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) $$
Im Gleichgewicht
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$
$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2,96 \ mal 10 ^ {- 4} $$
Verwenden von $ \ Omega_ {m, 0} = 0,27 $ und $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ mal 10 ^ {- 5} $. Die diesem Skalierungsfaktor entsprechende Rotverschiebung ist gegeben durch -
$$ z = 1 / a (t) -1 \ ca. 3375 $$
Die Energiedichte der Strahlung nahm aufgrund der Expansion des Universums ab. So begann sich das Universum abzukühlen. Als die Energie der Photonen abnahm, begannen sich neutrale Atome zu bilden. Um eine Rotverschiebung von 1300 begann sich neutraler Wasserstoff zu bilden. Diese Ära hatte eine Temperatur nahe 3000K.
Die Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlung wurde sehr selten und so wurde das Universum für Strahlung transparent. Dieser Zeitraum wird aufgerufen“Surface of last scattering”da der mittlere freie Weg der Photonen sehr groß wurde, wodurch nach dieser Zeit kaum eine Streuung stattfand. Es wird auch als bezeichnet“Cosmic Photosphere”.
Punkte, die man sich merken sollte
CMB besteht aus den Photonen der Zeit, als Materie und Strahlung im Gleichgewicht waren.
Das frühe Universum war sehr heiß und die Energie war zu hoch, als dass die Materie neutral bleiben könnte. Sie existierte also als Plasma mit ionisierter Materie.
Compton Scattering, Thomson Scattering und Inverse Compton Scattering waren damals die drei Wechselwirkungsprozesse zwischen Materie und Strahlung.
Das Universum entwickelte sich so, dass Materie und Strahlung das thermische Gleichgewicht erreichten.