Anisotropia da radiação CMB e Cobe
Neste capítulo, discutiremos a anisotropia da radiação CMB e do COBE, ou seja, Cosmic Background Explorer.
Anisotropias primárias na CMB
Para entender as observações do espaço e as anisotropias primárias na radiação cósmica de fundo da micro-ondas, vamos pegar as seguintes equações e entendê-las como mostrado abaixo.
Densidade numérica de fótons CMB (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Total \: energia \: densidade} {Característica \: energia \: de \: Fótons} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
Onde $ k_B $ está Boltzmann Constant e $ T_0 $ é o present temperature of the universe.
Usando a temperatura atual $ (T_0) $ como 2,7 K, obtemos a densidade do número de fótons CMB atual como 400 cm -3 .
A densidade numérica de fótons estelares cósmicos é muito menor (∼ = 10 −3 cm −3 ) em grandes escalas.
Razão de barião para fóton (η)
Se as contribuições estelares de galáxias, que se misturam com CMB, são insignificantes, a proporção de bárions para prótons é -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
O valor atual é ∼5 × 10 −10 . Uma vez que as densidades de número de fótons e bárions são proporcionais aa−3, então η não evolui com o tempo.
Densidade de energia
Ao contrário da densidade numérica, a densidade de energia da matéria é mais dominada do que a densidade de energia do fóton atualmente.
A densidade de energia da matéria bariônica = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Enquanto, a densidade de energia da radiação = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ vezes 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
Isotropia da radiação CMB
Penzias e Wilsondescobriram que o CMB é isotrópico dentro dos limites das observações. Os limites são baixa resolução angular e sensibilidade dos instrumentos. Eles fizeram observações da Terra, devido a isso, as observações não podem ser feitas em todo o espectro, pois o vapor de água na atmosfera absorve muitos comprimentos de onda que variam de 1 mm a 1 m. Portanto, o CMB não pode ser afirmado como um espectro.
O CMB é considerado rotacionalmente invariante (isotrópico). Visto que existiu uma época em que a matéria e a radiação estavam em equilíbrio, a formação de estruturas no universo é inexplicável. Uma vez que a distribuição da matéria não é isotrópica, mas é agrupada como uma teia cósmica com enormes vazios entre eles, acredita-se que a CMB tenha uma origem extragalática.
Mas, a partir do início das observações do espaço, foram encontradas anisotropias na CMB, o que levou ao raciocínio de que essas anisotropias na matéria levam à formação de estruturas.
Observação da radiação CMB do espaço
Os principais satélites lançados para observar o CMB foram -
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) e
Planck (2009).
COBE (Explorador do Fundo Cósmico)
O COBE tinha principalmente dois instrumentos. Eles eramFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) e Differential Microwave Radiometers(Antenas DMR). O FIRAS mede a intensidade do CMB como uma função do comprimento de onda ao longo de qualquer direção específica. Considerando que, DMR tem 3 antenas para medir a diferença de intensidade de CMB de três direções diferentes. As dicas a seguir nos fornecem mais informações sobre FIRAS e DMR.
As observações CMB do FIRAS mostram que a radiação CMB corresponde ao espectro do corpo negro em T = 2,72528 ± 0,00065 K.
O DMR mede três frequências (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) em todas as direções do céu.
O “símbolo vermelho do batman” nas observações do DMR é o ruído da emissão do primeiro plano (emissão síncrotron difusa galáctica).
As variações de intensidade nas observações correspondem às variações de temperatura. A presença de pontos quentes e frios prova que a radiação CMB é anisotrópica.
Esta anisotropia deve estar presente no momento do desacoplamento, pois não há distorções na CMB. Portanto, a matéria deveria ter alguns bolsões com densidade maior do que os outros.
Resultados COBE
O espectro CMB (intensidade em função da energia) é quase um corpo negro perfeito correspondendo a T = 2,7 K. A intensidade específica da radiação CMB é quase a mesma para todas as direções. A confirmação de que o universo é isotrópico em grandes escalas (valida nossa suposição do princípio cosmológico).
A análise dos dados mostrou que existem anisotropias de temperatura (“flutuações”) no espectro CMB na resolução do COBE (DMR).
Resolution of COBE, WMAP, Planck
O instrumento DMR on-board COBE tinha uma resolução espacial limite (máxima) de ± 7 graus.
A Sonda de Anisotropia de Microondas Wilkinson (WMAP) teve uma resolução média de ± 0,7 graus.
O satélite Planck tem uma resolução angular de ± 10 arc-minuto.
Pontos para lembrar
A densidade numérica de fótons estelares cósmicos é muito menor do que a densidade numérica de fótons CMB.
Vivemos em um universo dominado pela matéria, uma vez que a densidade de energia da matéria é maior do que a densidade de energia do fóton.
COBE, WMAP, Planck são esforços para medir e quantificar anisotropias na CMB.
A formação da estrutura do universo é resultado das anisotropias CMB.