우주론-우주 마이크로파 배경

CMB (Cosmic Microwave Background)는 본질적으로 물질과 방사선이 평형 상태에 있던 시간의 광자로 구성됩니다. 1920 년대까지 우주 팽창에 대한 아이디어가 받아 들여졌고 몇 가지 질문에 답할 수있었습니다. 그러나 더 무거운 요소의 풍부함과 풍부함에 대한 질문은 답이없는 상태로 남겨졌습니다. 더욱이 팽창하는 우주는 물질의 밀도가 0으로 감소해야 함을 암시했습니다.

1948 년 George Gammow와 Ralph Alpher는 "빅뱅"을 사용하여 더 무거운 원소의 기원과 풍요 로움을 설명했습니다. 그들은 로버트 허먼과 함께“유물 방사선”또는“빅뱅”에서 남은 방사선의 존재를 예측했습니다. 이 잔여 방사선에 대한 예상 온도는 50-6K 사이였습니다. 1965 년에 Robert Dicke, Jim Peebles 및 David Wilkinson은 Amo Perizias의 연구 그룹과 함께 CMB를 실험적으로 감지했습니다.

초기 우주는 매우 뜨겁고 에너지가 너무 높아 물질이 중립을 유지하지 못했습니다. 따라서 물질은 이온화 된 형태였습니다.Plasma. 방사선 (광자)과 물질 (플라즈마)은 주로 다음 세 가지 과정을 통해 상호 작용했습니다.

Compton Scattering − (주요 상호 작용 과정) 고 에너지 광자와 저에너지 하전 입자 사이의 비탄성 산란.
Thomson Scattering − 자유 하전 입자에 의한 광자의 탄성 산란.
Inverse Compton Scattering− 고 에너지 하전 입자 및 저에너지 광자. 이러한 상호 작용은 마침내 물질과 복사가 열 평형 상태에있게되었습니다.

열 평형

열 평형에서 복사는 Planck Distribution of Energy,

$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$

이 기간 동안 매우 빈번한 상호 작용으로 인해 광자의 평균 자유 경로가 매우 작았습니다. 우주는 방사선에 불투명했습니다. 초기 우주는 방사선이 지배적이었습니다. 우주는 물질과 복사가 열 평형에 도달하고 에너지 밀도가 같아지는 방식으로 진화했습니다. 이것은 스케일 팩터에 따른 밀도의 진화를 보여주는 그래프에서 볼 수 있습니다. 물질과 방사선이 평형에 도달 한 스케일 인자 (시간) (a (t))를 알아 봅시다.

$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \ : \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$

$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) $$

평형 상태에서

$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$

$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \ : \ Rightarrow a (t) = 2.96 \ times 10 ^ {-4} $$

$ \ Omega_ {m, 0} = 0.27 $ 및 $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ times 10 ^ {− 5} $ 사용. 이 스케일 팩터에 해당하는 빨간색 이동은 다음과 같이 지정됩니다.

$$ z = 1 / a (t) -1 \ 약 3375 $$

우주의 팽창으로 인해 방사선의 에너지 밀도가 낮아졌습니다. 그리하여 우주는 식기 시작했습니다. 광자의 에너지가 감소하기 시작하면서 중성 원자가 형성되기 시작했습니다. 따라서 1300의 적색 편이 부근에서 중성 수소가 형성되기 시작했습니다. 이 시대의 기온은 3000K에 가깝습니다.

물질과 방사선 사이의 상호 작용은 매우 드물게되었고 우주는 방사선에 투명 해지기 시작했습니다. 이 기간을“Surface of last scattering”광자의 평균 자유 경로가 매우 커졌기 때문에이 기간 이후에는 산란이 거의 발생하지 않았습니다. 그것은 또한“Cosmic Photosphere”.

기억해야 할 사항

CMB는 물질과 방사선이 평형을 이루던 시대의 광자로 구성됩니다.
초기 우주는 매우 뜨겁고 에너지가 너무 높아 물질이 중성을 유지하기에는 너무 높았 기 때문에 이온화 된 물질-플라즈마로 존재했습니다.
Compton Scattering, Thomson Scattering, Inverse Compton Scattering은 3 가지 물질-방사선 상호 작용 과정이었습니다.
우주는 물질과 복사가 열 평형에 도달하도록 진화했습니다.