Анизотропия реликтового излучения и Кобе
В этой главе мы обсудим анизотропию CMB-излучения и COBE, т. Е. Cosmic Background Explorer.
Первичные анизотропии реликтового излучения
Чтобы понять наблюдения из космоса и первичную анизотропию космического микроволнового фонового излучения, давайте возьмем следующие уравнения и поймем их, как показано ниже.
Плотность числа фотонов CMB (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Total \: energy \: density} {Характеристика \: energy \: of \: Photons} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
Где $ k_B $ Boltzmann Constant а $ T_0 $ - это present temperature of the universe.
Используя текущую температуру $ (T_0) $ как 2,7 К, мы получаем текущую плотность числа фотонов реликтового излучения как 400 см −3 .
Плотность космических звездных фотонов намного меньше (∼ = 10 −3 см −3 ) в больших масштабах.
Отношение барионов к фотонам (η)
Если звездные вклады от галактик, которые смешиваются с CMB, пренебрежимо малы, отношение барионов к протонам будет -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
Текущее значение составляет ∼5 × 10 −10 . Поскольку плотности фотонов и барионов пропорциональныa−3, тогда η не развивается со временем.
Плотность энергии
В отличие от плотности числа, плотность энергии материи в настоящее время преобладает больше, чем плотность энергии фотонов.
Плотность энергии барионной материи = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} эргсм ^ {- 3} $. В то время как плотность энергии излучения = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ {- 13} эргсм {−3} $.
Изотропия реликтового излучения
Penzias и Wilsonобнаружил, что CMB в пределах наблюдений изотропен. Пределами являются низкое угловое разрешение и чувствительность инструментов. Они проводили наблюдения с Земли, из-за этого наблюдения не могут проводиться по всему спектру, поскольку водяной пар в атмосфере поглощает множество длин волн в диапазоне от 1 мм до 1 м. Итак, CMB нельзя утверждать как спектр.
РИ считается инвариантным (изотропным) относительно вращения. Поскольку существовало время, когда материя и излучение находились в равновесии, образование структур во Вселенной необъяснимо. Поскольку распределение вещества не изотропно, а сгруппировано вместе, как космическая паутина с огромными пустотами между ними, считается, что реликтовое излучение имеет внегалактическое происхождение.
Но, когда начались наблюдения из космоса, были обнаружены анизотропии реликтового излучения, которые приводят к предположению, что эти анизотропии в веществе приводят к образованию структур.
Наблюдение реликтового излучения из космоса
Основными спутниками, которые были запущены для наблюдения реликтового излучения, были:
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) и
Planck (2009).
COBE (Исследователь космического фона)
COBE в основном имел два инструмента. Они былиFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) и Differential Microwave Radiometers(Антенны DMR). FIRAS измеряет интенсивность реликтового излучения как функцию длины волны в любом конкретном направлении. В то время как DMR имеет 3 антенны для измерения разницы в интенсивности CMB с трех разных направлений. Следующие указатели дают нам дополнительную информацию о FIRAS и DMR.
Наблюдения реликтового излучения с помощью FIRAS показывают, что реликтовое излучение соответствует спектру черного тела при T = 2.72528 ± 0.00065 К.
DMR измеряет три частоты (31,5 ГГц, 53 ГГц, 90 ГГц) во всех направлениях в небе.
«Красный символ Бэтмена» в наблюдениях DMR - это шум от излучения переднего плана (галактическое диффузное синхротронное излучение).
Вариации интенсивности в наблюдениях соответствуют вариациям температуры. Наличие горячих и холодных пятен свидетельствует об анизотропии реликтового излучения.
Эта анизотропия должна присутствовать во время развязки, поскольку в CMB нет искажений. Итак, у материи должны быть одни карманы с большей плотностью, чем у других.
Результаты COBE
Спектр реликтового излучения (интенсивность как функция энергии) представляет собой почти идеальное черное тело, соответствующее T = 2,7 К. Удельная интенсивность реликтового излучения почти одинакова для всех направлений. Подтверждение того, что Вселенная изотропна в больших масштабах (подтверждает наше предположение о космологическом принципе).
Анализ данных показал наличие температурных анизотропий («флуктуаций») в спектре реликтового излучения при разрешении COBE (DMR).
Resolution of COBE, WMAP, Planck
Бортовой инструмент DMR COBE имел предельное (максимальное) пространственное разрешение ~ 7 градусов.
Зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии (WMAP) имел среднее разрешение ~ 0,7 градуса.
Спутник Planck имеет угловое разрешение ∼ 10 угловых минут.
Что следует помнить
Плотность космических звездных фотонов намного меньше плотности фотонов реликтового излучения.
Мы живем во Вселенной, где преобладает материя, поскольку плотность энергии материи выше плотности энергии фотонов.
COBE, WMAP, Planck - это попытки измерить и количественно оценить анизотропию реликтового излучения.
Формирование структуры Вселенной является результатом анизотропии реликтового излучения.