Космология - космический микроволновый фон
РИ (космический микроволновый фон) по существу состоит из фотонов того времени, когда материя и излучение находились в равновесии. К 1920-м годам идея расширяющейся Вселенной была принята и смогла ответить на несколько вопросов. Но вопросы об изобилии более тяжелых элементов и изобилии остались без ответа. Более того, расширяющаяся Вселенная подразумевала, что плотность материи должна уменьшиться до 0.
В 1948 году Джордж Гаммоу и Ральф Альфер объяснили происхождение более тяжелых элементов и их изобилие с помощью «Большого взрыва». Они вместе с Робертом Херманом предсказали существование «Реликтовой радиации» или радиации, оставшейся от «Большого взрыва». Прогнозируемая температура для этого остаточного излучения составляла 50-6 К. В 1965 году Роберт Дике, Джим Пиблс и Дэвид Уилкинсон вместе с исследовательской группой Амо Перизиаса экспериментально обнаружили реликтовое излучение.
Ранняя Вселенная была очень горячей, а энергия была слишком высокой, чтобы материя оставалась нейтральной. Следовательно, материя была в ионизированной форме -Plasma. Излучение (фотоны) и Материя (плазма) взаимодействовали в основном посредством следующих трех процессов.
Compton Scattering - (Процесс основного взаимодействия) Неупругое рассеяние между фотоном высокой энергии и заряженной частицей низкой энергии.
Thomson Scattering - Упругое рассеяние фотона на свободной заряженной частице.
Inverse Compton Scattering- Заряженная частица высокой энергии и фотон низкой энергии. Эти взаимодействия в конечном итоге привели к тому, что материя и излучение оказались в тепловом равновесии.
Тепловое равновесие
В тепловом равновесии излучение подчиняется Planck Distribution of Energy,
$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$
В это время из-за очень частых взаимодействий длина свободного пробега фотонов была очень мала. Вселенная была непрозрачной для излучения. В ранней Вселенной преобладала радиация. Вселенная развивалась таким образом, что материя и излучение достигли теплового равновесия, а их плотность энергии стала равной. Это видно из графика, показывающего изменение плотности в зависимости от масштабного фактора. Выясним масштабный фактор (время) (a (t)), при котором вещество и излучение достигли равновесия.
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { м, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} а (т) $$
В состоянии равновесия
$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$
$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2,96 \ times 10 ^ {- 4} $$
используя $ \ Omega_ {m, 0} = 0,27 $ и $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ times 10 ^ {- 5} $. Красное смещение, соответствующее этому масштабному коэффициенту, определяется как -
$$ z = 1 / a (t) -1 \ около 3375 $$
Плотность энергии излучения снизилась из-за расширения Вселенной. Таким образом, Вселенная начала остывать. Когда энергия фотонов начала уменьшаться, начали образовываться нейтральные атомы. Таким образом, около красного смещения 1300 начал образовываться нейтральный водород. В эту эпоху температура была близка к 3000К.
Взаимодействие между веществом и излучением стало очень редким, и Вселенная стала прозрачной для излучения. Этот период времени называется“Surface of last scattering”поскольку длина свободного пробега фотонов стала очень большой, из-за чего после этого периода практически не происходило никакого рассеяния. Его также называют“Cosmic Photosphere”.
Что следует помнить
CMB состоит из фотонов того времени, когда вещество и излучение находились в равновесии.
Ранняя Вселенная была очень горячей, а энергия была слишком высокой, чтобы материя оставалась нейтральной, поэтому она существовала как ионизированная материя-плазма.
Комптоновское рассеяние, томсоновское рассеяние, обратное комптоновское рассеяние были тогда тремя процессами взаимодействия материи и излучения.
Вселенная развивалась так, что материя и излучение достигли теплового равновесия.