Cosmologia - Fundo Cósmico de Microondas
O CMB (Cosmic Microwave Background) é essencialmente constituído pelos fótons da época em que a matéria e a radiação estavam em equilíbrio. Na década de 1920, a ideia de um universo em expansão foi aceita e poderia responder a várias perguntas. Mas as perguntas sobre a abundância de elementos mais pesados e a abundância ficaram sem resposta. Além disso, o universo em expansão implicava que a densidade da matéria deveria diminuir para 0.
Em 1948, George Gammow e Ralph Alpher explicaram a origem dos elementos mais pesados e a abundância usando o “Big Bang”. Eles, juntamente com Robert Herman, previram a existência de “Radiação Relict” ou radiação remanescente do “Big Bang”. A temperatura prevista para esta radiação remanescente foi entre 50-6 K. Em 1965, Robert Dicke, Jim Peebles e David Wilkinson, juntamente com o Grupo de Pesquisa Amo Perizias, detectaram experimentalmente o CMB.
O universo primitivo era muito quente e a energia muito alta para que a matéria permanecesse neutra. Portanto, a matéria estava na forma ionizada -Plasma. A radiação (fótons) e a matéria (plasma) interagiram principalmente por meio dos três processos a seguir.
Compton Scattering - (Processo de interação principal) Espalhamento inelástico entre fóton de alta energia e partícula carregada de baixa energia.
Thomson Scattering - Espalhamento elástico de fóton por uma partícula carregada livre.
Inverse Compton Scattering- Partícula carregada de alta energia e fóton de baixa energia. Essas interações finalmente resultaram em matéria e radiação em equilíbrio térmico.
Equilíbrio térmico
Em equilíbrio térmico, a radiação obedece ao Planck Distribution of Energy,
$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$
Durante esse tempo, devido às interações altamente frequentes, o caminho livre médio dos fótons era muito pequeno. O universo era opaco à radiação. O universo inicial era dominado pela radiação. O universo evoluiu de tal forma que a matéria e a radiação atingiram o Equilíbrio Térmico e sua densidade de energia se igualou. Isso pode ser visto no gráfico que mostra a evolução da densidade com o fator de escala. Vamos descobrir o fator de escala (tempo) (a (t)) em que a matéria e a radiação alcançaram o equilíbrio.
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) $$
Em equilíbrio,
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$
$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2,96 \ vezes 10 ^ {- 4} $$
usando $ \ Omega_ {m, 0} = 0,27 $ e $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ vezes 10 ^ {- 5} $. O deslocamento para o vermelho correspondente a este fator de escala é dado por -
$$ z = 1 / a (t) -1 \ aprox. 3375 $$
A densidade de energia da radiação diminuiu devido à expansão do universo. Assim, o universo começou a esfriar. Conforme a energia dos fótons começou a diminuir, átomos neutros começaram a se formar. Assim, por volta de um desvio para o vermelho de 1300, o hidrogênio neutro começou a se formar. Esta era tinha uma temperatura próxima a 3000K.
A interação entre matéria e radiação tornou-se muito rara e, assim, o universo começou a se tornar transparente à radiação. Este período de tempo é chamado“Surface of last scattering”como o caminho livre médio dos fótons tornou-se muito grande, devido ao qual quase nenhum espalhamento ocorreu após este período. Também é chamado de“Cosmic Photosphere”.
Pontos para lembrar
O CMB é constituído pelos fótons da época em que a matéria e a radiação estavam em equilíbrio.
O universo primitivo era muito quente e a energia muito alta para que a matéria permanecesse neutra, então existia como matéria ionizada - plasma.
Dispersão Compton, Dispersão Thomson, Dispersão Compton Inversa foram os 3 processos de interação matéria-radiação então.
O universo evoluiu de tal forma que a matéria e a radiação alcançaram o equilíbrio térmico.