Anizotropia promieniowania KMPT i Cobe

W tym rozdziale omówimy anizotropię promieniowania CMB i COBE, czyli Cosmic Background Explorer.

Pierwotne anizotropie w KMPT

Aby zrozumieć obserwacje z kosmosu i pierwotne anizotropie w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła, weźmy następujące równania i zrozummy je, jak pokazano poniżej.

Gęstość liczby fotonów CMB (n _γ , 0)

$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Suma \: energia \: gęstość} {Charakterystyka \: energia \: z \: fotonów} $$

$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$

Gdzie $ k_B $ jest Boltzmann Constant a $ T_0 $ to present temperature of the universe.

Używając aktualnej temperatury $ (T_0) $ jako 2,7 K, otrzymujemy aktualną gęstość liczby fotonów CMB jako 400 cm ^-3 .

Gęstość liczby fotonów w kosmosie jest znacznie mniejsza (∼ = ^10-3 cm ^-3 ) w dużych skalach.

Stosunek barionu do fotonu (η)

Jeśli udział gwiazd z galaktyk, które miesza się z KMPT, jest znikomy, stosunek barionu do protonu wynosi -

$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$

Bieżąca wartość to ∼5 × ^10-10 . Ponieważ zarówno gęstości liczbowe fotonów, jak i liczb barionowych są proporcjonalne doa⁻³, następnie η nie ewoluuje z czasem.

Gęstość energii

W przeciwieństwie do gęstości liczbowej, gęstość energii materii jest obecnie bardziej zdominowana niż gęstość energii fotonów.

Gęstość energii materii barionowej = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Natomiast gęstość energii promieniowania = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.

Izotropia promieniowania KMPT

Penzias i Wilsonstwierdził, że KMPT jest izotropowy w granicach obserwacji. Ograniczenia to niska rozdzielczość kątowa i czułość instrumentów. Prowadzili obserwacje z Ziemi, z tego powodu obserwacje nie mogą być prowadzone w całym widmie, ponieważ para wodna w atmosferze pochłania wiele długości fal w zakresie od 1 mm do 1 m. Tak więc CMB nie może być traktowane jako widmo.

Uważa się, że CMB jest niezmienna rotacyjnie (izotropowa). Ponieważ istniał czas, w którym materia i promieniowanie były w równowadze, formowanie się struktur we Wszechświecie jest niewytłumaczalne. Ponieważ rozkład materii nie jest izotropowy, ale jest skupiony razem jak kosmiczna sieć z ogromnymi pustkami pomiędzy nimi, uważa się, że CMB ma pochodzenie pozagalaktyczne.

Ale gdy rozpoczęły się obserwacje z kosmosu, znaleziono anizotropie w KMPT, co prowadzi do wniosku, że te anizotropie w materii prowadzą do powstania struktur.

Obserwacja promieniowania KMPT z kosmosu

Główne satelity, które zostały wystrzelone w celu obserwacji KMPT to:

Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) i
Planck (2009).

COBE (kosmiczna eksploracja tła)

COBE posiadała głównie dwa instrumenty. ByliFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) i Differential Microwave Radiometers(Anteny DMR). FIRAS mierzy intensywność CMB jako funkcję długości fali wzdłuż dowolnego określonego kierunku. Natomiast DMR ma 3 anteny do pomiaru różnicy intensywności KMPT z trzech różnych kierunków. Poniższe wskazówki dają nam więcej informacji na temat FIRAS i DMR.

Obserwacje CMB z FIRAS pokazują, że promieniowanie KMPT odpowiada widmowi ciała doskonale czarnego przy T = 2,72528 ± 0,00065 K.
DMR mierzy trzy częstotliwości (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) we wszystkich kierunkach na niebie.
„Czerwony symbol Batmana” w obserwacjach DMR to szum z emisji pierwszego planu (galaktyczna rozproszona emisja synchrotronowa).
Zmiany intensywności w obserwacjach odpowiadają zmianom temperatury. Obecność miejsc gorących i zimnych świadczy o tym, że promieniowanie KMPT jest anizotropowe.
Ta anizotropia musi występować w czasie odsprzęgania, ponieważ nie ma żadnych zniekształceń w KMPT. Zatem materia powinna mieć niektóre kieszenie o większej gęstości niż inne.

Wyniki COBE

Widmo KMPT (intensywność jako funkcja energii) to prawie idealne ciało czarne, odpowiadające T = 2,7 K. Specyficzna intensywność promieniowania KMPT jest prawie taka sama we wszystkich kierunkach. Potwierdzenie, że wszechświat jest izotropowy w dużej skali (potwierdza nasze założenie o zasadzie kosmologicznej).

Analiza danych wykazała, że istnieją anizotropie temperatury („fluktuacje”) w widmie KMPT przy rozdzielczości COBE (DMR).

Resolution of COBE, WMAP, Planck

Instrument DMR na pokładzie COBE miał ograniczającą (maksymalną) rozdzielczość przestrzenną ∼ 7 stopni.
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) miała średnią rozdzielczość ∼ 0,7 stopnia.
Satelita Planck ma rozdzielczość kątową ∼ 10 minut łuku.

Punkty do zapamiętania

Gęstość liczby fotonów w kosmosie jest znacznie mniejsza niż gęstość liczby fotonów w KMPT.
Żyjemy we wszechświecie zdominowanym przez materię, ponieważ gęstość energii materii jest wyższa niż gęstość energii fotonów.
COBE, WMAP, Planck to wysiłki zmierzające do pomiaru i kwantyfikacji anizotropów w CMB.
Tworzenie struktury we wszechświecie jest wynikiem anizotropii KMPT.