Anisotropía de radiación CMB y Cobe
En este capítulo, discutiremos la anisotropía de la radiación CMB y COBE, es decir, Cosmic Background Explorer.
Anisotropías primarias en el CMB
Para comprender las observaciones desde el espacio y las anisotropías primarias en la radiación de fondo de microondas cósmica, tomemos las siguientes ecuaciones y comprendamos como se muestra a continuación.
Densidad del número de fotones CMB (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Total \: energía \: densidad} {Característica \: energía \: de \: Fotones} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
Donde $ k_B $ es Boltzmann Constant y $ T_0 $ es el present temperature of the universe.
Usando la temperatura actual $ (T_0) $ como 2.7 K, obtenemos la densidad actual del número de fotones CMB como 400 cm −3 .
La densidad del número de fotones estelares cósmicos es mucho menor (∼ = 10 −3 cm −3 ) en escalas grandes.
Relación barión a fotón (η)
Si las contribuciones estelares de las galaxias, que se mezclan con CMB, son insignificantes, la relación barión a protón es:
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
El valor actual es ∼5 × 10 −10 . Dado que las densidades de los números de fotones y bariones son proporcionales aa−3, luego η no evoluciona con el tiempo.
Densidad de energia
A diferencia de la densidad numérica, la densidad de energía de la materia está más dominada en la actualidad que la densidad de energía de los fotones.
La densidad de energía de la materia bariónica = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0.04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Mientras, la densidad de energía de la radiación = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
Isotropía de la radiación CMB
Penzias y Wilsonencontró que el CMB es isotrópico dentro de los límites de las observaciones. Los límites son la baja resolución angular y la sensibilidad de los instrumentos. Hicieron observaciones desde la Tierra, debido a esto, las observaciones no se pueden hacer a través de todo el espectro ya que el vapor de agua en la atmósfera absorbe muchas longitudes de onda que van desde 1 mm a 1 m. Entonces, CMB no puede afirmarse como un espectro.
Se cree que el CMB es invariante en rotación (isotrópico). Dado que existió una época en la que la materia y la radiación estaban en equilibrio, la formación de estructuras en el universo es inexplicable. Dado que la distribución de la materia no es isotrópica, sino que está agrupada como una red cósmica con enormes vacíos en el medio, se cree que el CMB tiene un origen extragaláctico.
Pero, a medida que comenzaron las observaciones desde el espacio, se encontraron anisotropías en el CMB, lo que lleva a razonar que estas anisotropías en la materia conducen a la formación de estructuras.
Observación de radiación CMB desde el espacio
Los principales satélites que se lanzaron para observar el CMB fueron:
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) y
Planck (2009).
COBE (Explorador de fondo cósmico)
El COBE tenía principalmente dos instrumentos. Ellos eranFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) y Differential Microwave Radiometers(Antenas DMR). FIRAS mide la intensidad del CMB en función de la longitud de onda en cualquier dirección específica. Considerando que, DMR tiene 3 antenas para medir la diferencia de intensidad de CMB desde tres direcciones diferentes. Los siguientes consejos nos brindan más información sobre FIRAS y DMR.
Las observaciones del CMB de FIRAS muestran que la radiación del CMB corresponde al espectro del cuerpo negro a T = 2.72528 ± 0.00065 K.
El DMR mide tres frecuencias (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) en todas las direcciones del cielo.
El "símbolo rojo de batman" en las observaciones de DMR es el ruido de la emisión en primer plano (emisión galáctica difusa sincrotrón).
Las variaciones de intensidad en las observaciones corresponden a variaciones de temperatura. La presencia de puntos calientes y fríos prueba que la radiación CMB es anisotrópica.
Esta anisotropía debe estar presente en el momento del desacoplamiento ya que no hay distorsiones en CMB. Por tanto, la materia debería tener unos bolsillos con mayor densidad que los demás.
Resultados COBE
El espectro CMB (intensidad en función de la energía) es casi un cuerpo negro perfecto correspondiente a T = 2,7 K. La intensidad específica de la radiación CMB es casi la misma en todas las direcciones. Confirmación de que el universo es isotrópico a gran escala (valida nuestra suposición del principio cosmológico).
El análisis de los datos mostró que hay anisotropías de temperatura ("fluctuaciones") en el espectro CMB a la resolución de COBE (DMR).
Resolution of COBE, WMAP, Planck
El instrumento DMR a bordo del COBE tenía una resolución espacial límite (máxima) de ∼ 7 grados.
La sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) tenía una resolución promedio de ∼ 0,7 grados.
El satélite Planck tiene una resolución angular de ∼ 10 minutos de arco.
Puntos para recordar
La densidad del número de fotones estelares cósmicos es mucho menor que la densidad del número de fotones del CMB.
Vivimos en un universo dominado por la materia, ya que la densidad de energía de la materia es mayor que la densidad de energía de los fotones.
COBE, WMAP, Planck son esfuerzos para medir y cuantificar anisotropías en el CMB.
La formación de estructura en el universo es el resultado de anisotropías CMB.