Kosmologi - Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik
CMB (Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik) pada dasarnya dibentuk oleh foton saat materi dan radiasi berada dalam kesetimbangan. Pada 1920-an, gagasan tentang alam semesta yang mengembang diterima dan dapat menjawab beberapa pertanyaan. Tetapi pertanyaan tentang kelimpahan unsur-unsur yang lebih berat dan kelimpahan tidak terjawab. Selain itu, alam semesta yang mengembang menyiratkan bahwa kepadatan materi harus berkurang hingga 0.
Pada tahun 1948, George Gammow dan Ralph Alpher menjelaskan asal mula unsur-unsur yang lebih berat dan kelimpahannya menggunakan “Big Bang”. Mereka bersama Robert Herman meramalkan adanya “Relict Radiation” atau radiasi sisa dari “Big Bang”. Suhu yang diprediksi untuk sisa radiasi ini adalah antara 50-6 K. Pada tahun 1965, Robert Dicke, Jim Peebles dan David Wilkinson bersama dengan Kelompok Riset Amo Perizias secara eksperimental mendeteksi CMB.
Alam semesta awal sangat panas dan energinya terlalu tinggi untuk materi tetap netral. Karenanya, materi berada dalam bentuk terionisasi -Plasma. Radiasi (foton) dan Materi (plasma) berinteraksi terutama melalui tiga proses berikut.
Compton Scattering - (Proses Interaksi Utama) Hamburan tidak elastis antara foton berenergi tinggi dan partikel bermuatan energi rendah.
Thomson Scattering - Hamburan foton elastis oleh partikel bermuatan bebas.
Inverse Compton Scattering- Partikel bermuatan energi tinggi dan foton energi rendah. Interaksi ini akhirnya menghasilkan materi dan radiasi dalam kesetimbangan termal.
Ekuilibrium Termal
Dalam kesetimbangan termal, radiasi mematuhi Planck Distribution of Energy,
$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$
Selama waktu ini, karena interaksi yang sangat sering, jalur bebas foton rata-rata sangat kecil. Alam semesta buram terhadap radiasi. Alam semesta awal didominasi radiasi. Alam semesta berevolusi sedemikian rupa sehingga materi dan radiasi mencapai kesetimbangan termal dan kepadatan energinya menjadi sama. Hal ini terlihat dari grafik yang menunjukkan evolusi massa jenis dengan faktor skala. Mari kita cari tahu faktor skala (waktu) (a (t)) di mana materi dan radiasi mencapai kesetimbangan.
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) $$
Pada kesetimbangan,
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$
$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2.96 \ times 10 ^ {- 4} $$
menggunakan $ \ Omega_ {m, 0} = 0,27 $ dan $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ kali 10 ^ {- 5} $. Pergeseran merah yang sesuai dengan faktor skala ini diberikan oleh -
$$ z = 1 / a (t) -1 \ sekitar 3375 $$
Kepadatan energi radiasi turun karena perluasan alam semesta. Jadi alam semesta mulai mendingin. Ketika energi foton mulai berkurang, atom netral mulai terbentuk. Dengan demikian, sekitar pergeseran merah 1300, Hidrogen netral mulai terbentuk. Era ini memiliki suhu mendekati 3000K.
Interaksi antara materi dan radiasi menjadi sangat jarang dan dengan demikian alam semesta mulai menjadi transparan terhadap radiasi. Jangka waktu ini disebut“Surface of last scattering”karena jalur bebas rata-rata foton menjadi sangat besar sehingga hampir tidak ada hamburan yang terjadi setelah periode ini. Itu juga disebut sebagai“Cosmic Photosphere”.
Poin untuk Diingat
CMB dibentuk oleh foton saat materi dan radiasi berada dalam kesetimbangan.
Alam semesta awal sangat panas dan energinya terlalu tinggi untuk materi untuk tetap netral, jadi ia ada sebagai materi-Plasma terionisasi.
Compton Hamburan, Hamburan Thomson, Hamburan Compton Terbalik adalah proses interaksi radiasi 3 materi kemudian.
Alam semesta berevolusi sedemikian rupa sehingga materi dan radiasi mencapai kesetimbangan termal.