Anisotropia di CMB Radiation & Cobe
In questo capitolo, discuteremo l'anisotropia della radiazione CMB e del COBE, ovvero Cosmic Background Explorer.
Anisotropie primarie nella CMB
Per comprendere le osservazioni dallo spazio e le anisotropie primarie nella radiazione di fondo a microonde cosmiche, prendiamo le seguenti equazioni e comprendiamole come mostrato di seguito.
Densità del numero di fotoni CMB (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Totale \: energia \: densità} {Caratteristica \: energia \: di \: fotoni} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
Dove si trova $ k_B $ Boltzmann Constant e $ T_0 $ è il file present temperature of the universe.
Usando la temperatura attuale $ (T_0) $ come 2,7 K, otteniamo l'attuale densità del numero di fotoni CMB come 400 cm −3 .
La densità del numero di fotoni stellari cosmici è molto più piccola (∼ = 10 −3 cm −3 ) su grandi scale.
Rapporto barione / fotone (η)
Se i contributi stellari delle galassie, che si mescolano con CMB, sono trascurabili, il rapporto barione / protone è -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
Il valore attuale è ∼5 × 10 −10 . Poiché sia la densità del numero di fotone che quella barionica sono proporzionali aa−3, poi η non si evolve con il tempo.
Densita 'energia
Al contrario della densità numerica, la densità energetica della materia è attualmente più dominata della densità energetica dei fotoni.
La densità di energia della materia barionica = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Mentre, la densità energetica della radiazione = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ volte 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
Isotropia della radiazione CMB
Penzias e Wilsontrovato che il CMB è isotropo entro i limiti delle osservazioni. I limiti sono la bassa risoluzione angolare e la sensibilità degli strumenti. Hanno fatto osservazioni dalla terra, per questo motivo, le osservazioni non possono essere effettuate attraverso tutto lo spettro poiché il vapore acqueo nell'atmosfera assorbe molte lunghezze d'onda che vanno da 1 mm a 1 m. Quindi, CMB non può essere affermato come uno spettro.
Si ritiene che il CMB sia invariante dal punto di vista della rotazione (isotropo). Poiché esisteva un tempo in cui materia e radiazione erano in equilibrio, la formazione delle strutture nell'universo è inspiegabile. Poiché la distribuzione della materia non è isotropa ma è aggregata come una rete cosmica con enormi vuoti in mezzo, si pensa che CMB abbia un'origine extragalattica.
Ma, quando sono iniziate le osservazioni dallo spazio, sono state trovate anisotropie nella CMB, il che ha portato al ragionamento che queste anisotropie nella materia portano alla formazione di strutture.
Osservazione della radiazione CMB dallo spazio
I principali satelliti lanciati per osservare la CMB sono stati:
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) e
Planck (2009).
COBE (Cosmic Background Explorer)
COBE aveva principalmente due strumenti. Li avevamoFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) e Differential Microwave Radiometers(Antenne DMR). FIRAS misura l'intensità del CMB in funzione della lunghezza d'onda lungo una qualsiasi direzione specifica. Considerando che, DMR ha 3 antenne per misurare la differenza di intensità di CMB da tre diverse direzioni. I seguenti suggerimenti ci forniscono ulteriori informazioni su FIRAS e DMR.
Le osservazioni CMB di FIRAS mostrano che la radiazione CMB corrisponde allo spettro del corpo nero a T = 2,72528 ± 0,00065 K.
Il DMR misura tre frequenze (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) in tutte le direzioni nel cielo.
Il "simbolo di batman rosso" nelle osservazioni DMR è il rumore dall'emissione in primo piano (emissione di sincrotrone diffusa galattica).
Le variazioni di intensità nelle osservazioni corrispondono alle variazioni di temperatura. La presenza di punti caldi e freddi dimostra che la radiazione CMB è anisotropa.
Questa anisotropia deve essere presente al momento del disaccoppiamento poiché non ci sono distorsioni in CMB. Quindi, la materia dovrebbe avere alcune sacche con una densità maggiore di quella delle altre.
Risultati COBE
Lo spettro CMB (intensità in funzione dell'energia) è quasi un corpo nero perfetto corrispondente a T = 2,7 K. L'intensità specifica della radiazione CMB è quasi la stessa per tutte le direzioni. La conferma che l'universo è isotropo su larga scala (convalida la nostra ipotesi di principio cosmologico).
L'analisi dei dati ha mostrato che ci sono anisotropie di temperatura ("fluttuazioni") nello spettro CMB alla risoluzione di COBE (DMR).
Resolution of COBE, WMAP, Planck
Lo strumento DMR di bordo COBE aveva una risoluzione spaziale limitante (massima) di ∼ 7 gradi.
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) aveva una risoluzione media di ∼ 0,7 gradi.
Il satellite Planck ha una risoluzione angolare di ∼ 10 minuti d'arco.
Punti da ricordare
La densità del numero di fotoni stellari cosmici è molto più piccola della densità del numero di fotoni CMB.
Viviamo in un universo dominato dalla materia, poiché la densità di energia della materia è superiore alla densità di energia del fotone.
COBE, WMAP, Planck sono sforzi per misurare e quantificare le anisotropie nella CMB.
La formazione della struttura nell'universo è il risultato delle anisotropie CMB.