Kosmologia - kosmiczne tło mikrofalowe
CMB (kosmiczne tło mikrofalowe) zasadniczo składa się z fotonów z czasu, gdy materia i promieniowanie były w równowadze. W latach dwudziestych XX wieku idea rozszerzającego się wszechświata została zaakceptowana i mogła odpowiedzieć na kilka pytań. Ale pytania o obfitość cięższych pierwiastków i obfitość pozostały bez odpowiedzi. Co więcej, rozszerzający się wszechświat oznaczał, że gęstość materii powinna spaść do 0.
W 1948 roku George Gammow i Ralph Alpher wyjaśnili pochodzenie cięższych pierwiastków i ich obfitość za pomocą „Wielkiego Wybuchu”. Wraz z Robertem Hermanem przepowiedzieli istnienie „Reliktowego promieniowania”, czyli promieniowania pozostałego po „Wielkim Wybuchu”. Przewidywana temperatura tego pozostałego promieniowania wynosiła 50-6 K. W 1965 roku Robert Dicke, Jim Peebles i David Wilkinson wraz z grupą badawczą Amo Periziasa eksperymentalnie wykryli CMB.
Wczesny wszechświat był bardzo gorący, a energia była zbyt wysoka, aby materia pozostała neutralna. Stąd materia była w zjonizowanej formie -Plasma. Promieniowanie (fotony) i materia (plazma) oddziałują głównie poprzez następujące trzy procesy.
Compton Scattering - (Główny proces interakcji) Nieelastyczne rozpraszanie między fotonem o wysokiej energii i cząstką naładowaną o niskiej energii.
Thomson Scattering - Elastyczne rozpraszanie fotonu przez swobodnie naładowaną cząstkę.
Inverse Compton Scattering- Naładowana cząstka o wysokiej energii i foton o niskiej energii. Te interakcje ostatecznie doprowadziły do tego, że materia i promieniowanie znalazły się w równowadze termicznej.
Równowaga termiczna
W równowadze termicznej promieniowanie jest zgodne z Planck Distribution of Energy,
$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$
W tym czasie, ze względu na bardzo częste oddziaływania, średnia droga swobodna fotonów była bardzo mała. Wszechświat był nieprzejrzysty dla promieniowania. Wczesny wszechświat był zdominowany przez promieniowanie. Wszechświat ewoluował w taki sposób, że materia i promieniowanie osiągnęły równowagę termiczną, a ich gęstość energii stała się równa. Można to zobaczyć na wykresie przedstawiającym ewolucję gęstości wraz ze współczynnikiem skali. Znajdźmy współczynnik skali (czas) (a (t)), w którym materia i promieniowanie osiągnęły równowagę.
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) $$
W równowadze
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$
$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2,96 \ times 10 ^ {- 4} $$
używając $ \ Omega_ {m, 0} = 0,27 $ i $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ times 10 ^ {- 5} $. Przesunięcie ku czerwieni odpowiadające temu współczynnikowi skali jest określone przez -
$$ z = 1 / a (t) -1 \ około 3375 $$
Gęstość energii promieniowania spadła z powodu rozszerzania się wszechświata. W ten sposób wszechświat zaczął się ochładzać. Gdy energia fotonów zaczęła spadać, zaczęły się formować neutralne atomy. W ten sposób około 1300 roku zaczął się formować obojętny wodór. W tej epoce panowała temperatura bliska 3000K.
Interakcja między materią a promieniowaniem stała się bardzo rzadka, w związku z czym wszechświat zaczął stawać się przezroczysty dla promieniowania. Ten okres czasu nazywa się“Surface of last scattering”ponieważ średnia droga swobodna fotonów stała się bardzo duża, przez co po tym okresie prawie nie nastąpiło rozproszenie. Nazywa się to również jako“Cosmic Photosphere”.
Punkty do zapamiętania
KMPT tworzą fotony z czasu, gdy materia i promieniowanie były w równowadze.
Wczesny wszechświat był bardzo gorący, a energia była zbyt wysoka, aby materia pozostała neutralna, więc istniał jako materia zjonizowana - Plazma.
Rozpraszanie Comptona, Thomsona i odwrotnego rozpraszania Comptona były wówczas trzema procesami interakcji materia-promieniowanie.
Wszechświat ewoluował w taki sposób, że materia i promieniowanie osiągnęły równowagę termiczną.