Anisotropi Radiasi & Cobe CMB
Pada bab ini, kita akan membahas anisotropi Radiasi CMB dan COBE, yaitu Cosmic Background Explorer.
Anisotropi Primer di CMB
Untuk memahami pengamatan dari luar angkasa dan anisotropi primer pada Radiasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik, mari kita ambil persamaan berikut dan memahaminya seperti gambar di bawah ini.
Kerapatan Nomor Foton CMB (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Total \: energi \: kepadatan} {Karakteristik \: energi \: dari \: Foton} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
Di mana $ k_B $ berada Boltzmann Constant dan $ T_0 $ adalah present temperature of the universe.
Menggunakan suhu sekarang $ (T_0) $ sebagai 2,7 K, kita mendapatkan kerapatan bilangan foton CMB saat ini sebagai 400 cm −3 .
Kerapatan bilangan foton bintang kosmik jauh lebih kecil (∼ = 10 −3 cm −3 ) pada skala besar.
Rasio Baryon ke Foton (η)
Jika kontribusi bintang dari galaksi, yang bercampur dengan CMB, dapat diabaikan, rasio baryon terhadap proton adalah -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
Nilai sekarang adalah ∼5 × 10 −10 . Karena kepadatan bilangan foton dan baryon sebanding dengana−3, kemudian η tidak berkembang seiring waktu.
Kepadatan Energi
Kebalikan dari kerapatan bilangan, kerapatan energi materi lebih didominasi daripada kerapatan energi foton saat ini.
Kerapatan energi materi barionik = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Sedangkan kerapatan energi radiasi = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ dikali 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
Isotropi Radiasi CMB
Penzias dan Wilsonmenemukan CMB menjadi isotropik dalam batas-batas pengamatan. Batasannya adalah resolusi sudut rendah dan sensitivitas instrumen. Mereka melakukan pengamatan dari bumi, oleh karena itu, pengamatan tidak dapat dilakukan melalui semua spektrum karena uap air di atmosfer menyerap banyak panjang gelombang mulai dari 1mm hingga 1m. Jadi, CMB tidak bisa dianggap sebagai spektrum.
CMB dianggap invarian secara rotasi (isotropik). Karena ada masa ketika materi dan radiasi berada dalam kesetimbangan, maka pembentukan struktur di alam semesta tidak dapat dijelaskan. Karena distribusi materi bukanlah isotropik tetapi berkumpul bersama seperti jaring kosmik dengan rongga besar di antaranya, CMB dianggap memiliki asal ekstragalaktik.
Tetapi, ketika pengamatan dari ruang angkasa dimulai, anisotropi di CMB ditemukan, yang mengarah pada alasan bahwa anisotropi ini dalam materi mengarah pada pembentukan struktur.
Pengamatan Radiasi CMB dari Luar Angkasa
Satelit utama yang diluncurkan untuk mengamati CMB adalah -
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) dan
Planck (2009).
COBE (Penjelajah Latar Belakang Kosmik)
COBE memiliki dua instrumen. MerekaFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) dan Differential Microwave Radiometers(Antena DMR). FIRAS mengukur intensitas CMB sebagai fungsi panjang gelombang sepanjang arah tertentu. Sedangkan DMR memiliki 3 antena untuk mengukur perbedaan intensitas CMB dari tiga arah yang berbeda. Petunjuk berikut memberi kita beberapa informasi lebih lanjut tentang FIRAS dan DMR.
Pengamatan CMB dari FIRAS menunjukkan bahwa radiasi CMB sesuai dengan spektrum benda hitam pada T = 2.72528 ± 0.00065 K.
DMR mengukur tiga frekuensi (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) ke segala arah di langit.
The “red batman symbol” pada pengamatan DMR adalah noise dari emisi latar depan (emisi synchrotron difusi galaksi).
Variasi intensitas dalam pengamatan sesuai dengan variasi suhu. Adanya titik panas dan dingin membuktikan bahwa radiasi CMB bersifat anisotropik.
Anisotropi ini harus ada pada waktu decoupling karena tidak ada distorsi pada CMB. Jadi, materi harus memiliki beberapa kantong dengan kepadatan yang lebih tinggi daripada kantong lainnya.
Hasil COBE
Spektrum CMB (intensitas sebagai fungsi energi) hampir merupakan benda hitam sempurna sesuai dengan T = 2,7 K. Intensitas spesifik radiasi CMB hampir sama untuk semua arah. Konfirmasi bahwa alam semesta isotropik dalam skala besar (memvalidasi asumsi prinsip kosmologis kami).
Analisis data menunjukkan bahwa terdapat anisotropi suhu (“fluktuasi”) dalam spektrum CMB pada resolusi COBE (DMR).
Resolution of COBE, WMAP, Planck
Instrumen DMR on-board COBE memiliki resolusi spasial (maksimum) terbatas ∼ 7 derajat.
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) memiliki resolusi rata-rata ∼ 0,7 derajat.
Satelit Planck memiliki resolusi sudut ∼ 10 arc-minute.
Poin untuk Diingat
Kerapatan bilangan foton bintang kosmik jauh lebih kecil daripada kerapatan bilangan foton CMB.
Kita hidup di alam semesta yang didominasi materi, karena kepadatan energi materi lebih tinggi daripada kepadatan energi foton.
COBE, WMAP, Planck adalah upaya untuk mengukur dan mengkuantifikasi anisotropi di CMB.
Pembentukan struktur di alam semesta merupakan hasil anisotropi CMB.