CMB Radyasyonu ve Kobe Anizotropisi
Bu bölümde, CMB Radyasyonu ve COBE'nin anizotropisini, yani Kozmik Arka Plan Gezgini'ni tartışacağız.
SPK'da Birincil Anizotropiler
Uzaydan gözlemleri ve Kozmik Mikrodalga Arka Plan Radyasyonundaki birincil anizotropileri anlamak için, aşağıdaki denklemleri alalım ve aşağıda gösterildiği gibi anlayalım.
CMB Foton Numarası Yoğunluğu (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Toplam \: enerji \: yoğunluk} {Karakteristik \: enerji \: / \: Fotonlar} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
$ K_B $ nerede Boltzmann Constant ve T_0 $ present temperature of the universe.
Mevcut sıcaklığı $ (T_0) $ 2,7 K olarak kullanarak, mevcut CMB foton sayısı yoğunluğunu 400 cm −3 olarak elde ederiz .
Kozmik yıldız foton sayısı yoğunluğu, büyük ölçeklerde çok daha küçüktür (∼ = 10 −3 cm −3 ).
Baryon - Foton oranı (η)
CMB ile karışan galaksilerin yıldız katkıları önemsizse, baryon / proton oranı -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
Bu değer ~ 5 x 10 -10 . Hem foton hem de baryon sayısı yoğunlukları orantılı olduğundana−3, sonra η zamanla gelişmez.
Enerji yoğunluğu
Sayı yoğunluğunun aksine, madde enerji yoğunluğu şu anda foton enerjisi yoğunluğundan daha baskındır.
Baryonik maddenin Enerji yoğunluğu = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0.04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Radyasyonun Enerji yoğunluğu = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
CMB Radyasyonunun İzotropisi
Penzias ve WilsonSPK'nın gözlem sınırları içinde izotropik olduğunu tespit etti. Sınırlar düşük açısal çözünürlük ve enstrümanların hassasiyetidir. Topraktan gözlem yaptılar, bu nedenle atmosferdeki su buharı 1 mm'den 1 m'ye kadar birçok dalga boyunu absorbe ettiğinden tüm spektrum üzerinden gözlem yapılamıyor. Dolayısıyla, SPK bir spektrum olarak öne sürülemez.
SPK'nın rotasyonel olarak değişmez (izotropik) olduğu düşünülmektedir. Madde ve radyasyonun dengede olduğu bir zaman olduğu için, evrendeki yapıların oluşumu açıklanamaz. Maddenin dağılımı izotropik olmadığından, aralarında kocaman boşluklar bulunan kozmik bir ağ gibi kümeleştiğinden, CMB'nin galaksi dışı bir kökene sahip olduğu düşünülmektedir.
Ancak uzaydan gözlemler başladığında, SPK'da anizotropiler bulunmuş ve bu da maddede bulunan bu anizotropilerin yapıların oluşumuna yol açtığı gerekçesine yol açmıştır.
Uzaydan SPK Radyasyonunun Gözlenmesi
SPK'yı gözlemlemek için fırlatılan ana uydular şunlardı:
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) ve
Planck (2009).
COBE (Kozmik Arka Plan Gezgini)
COBE'nin esas olarak iki enstrümanı vardı. OnlarFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) ve Differential Microwave Radiometers(DMR Antenleri). FIRAS, SPK'nın yoğunluğunu herhangi bir belirli yön boyunca dalga boyunun bir fonksiyonu olarak ölçer. Oysa DMR, SPK'nın üç farklı yönden yoğunluk farkını ölçmek için 3 antene sahiptir. Aşağıdaki işaretçiler bize FIRAS ve DMR hakkında biraz daha bilgi verir.
FIRAS'ın SPK gözlemleri, CMB radyasyonunun T = 2.72528 ± 0.00065 K'da siyah cisim spektrumuna karşılık geldiğini göstermektedir.
DMR, gökyüzünün tüm yönlerinde üç frekansı (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) ölçer.
DMR gözlemlerindeki "kırmızı batman sembolü", ön plandaki emisyondan gelen gürültüdür (galaktik difüze senkrotron emisyonu).
Gözlemlerdeki yoğunluk değişimleri, sıcaklık değişimlerine karşılık gelir. Sıcak ve soğuk noktaların varlığı, CMB radyasyonunun anizotropik olduğunu kanıtlamaktadır.
SPK'da herhangi bir bozulma olmadığından, bu anizotropi ayrılma anında mevcut olmalıdır. Öyleyse, madde diğerlerinden daha yüksek yoğunluklu bazı ceplere sahip olmalıdır.
COBE Sonuçları
CMB spektrumu (enerjinin bir fonksiyonu olarak yoğunluk) T = 2,7 K'ye karşılık gelen neredeyse mükemmel bir siyah cisimdir. CMB radyasyonunun özgül yoğunluğu tüm yönler için hemen hemen aynıdır. Evrenin büyük ölçeklerde izotropik olduğunun doğrulanması (kozmolojik ilke varsayımımızı doğrular).
Verilerin analizi, CMB spektrumunda COBE (DMR) çözünürlüğünde sıcaklık anizotropileri ("dalgalanmalar") olduğunu gösterdi.
Resolution of COBE, WMAP, Planck
Dahili COBE'nin DMR cihazı, ∼ 7 derecelik bir sınırlayıcı (maksimum) uzaysal çözünürlüğe sahipti.
Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Probu (WMAP) ortalama resolution 0.7 derece çözünürlüğe sahipti.
Planck uydusunun açısal çözünürlüğü ∼ 10 ark dakikadır.
Hatırlanacak noktalar
Kozmik yıldız foton sayısı yoğunluğu, CMB foton sayısı yoğunluğundan çok daha küçüktür.
Maddenin egemen olduğu bir evrende yaşıyoruz, çünkü madde enerji yoğunluğu foton enerji yoğunluğundan daha yüksek.
COBE, WMAP, Planck, SPK'daki anizotropileri ölçme ve niceleme çabalarıdır.
Evrendeki yapının oluşumu, CMB anizotropilerinin bir sonucudur.