Dị hướng của bức xạ CMB & Cobe
Trong chương này, chúng ta sẽ thảo luận về tính dị hướng của Bức xạ CMB và COBE, tức là Trình khám phá nền vũ trụ.
Anisotropies chính trong CMB
Để hiểu các quan sát từ không gian và các dị hướng cơ bản trong Bức xạ Nền Vi sóng Vũ trụ, chúng ta hãy lập các phương trình sau và hiểu nó như hình dưới đây.
CMB Mật độ số Photon (n γ , 0)
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Tổng \: năng lượng \: mật độ} {Đặc tính \: năng lượng \: của \: Photons} $$
$$ n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0} $$
$ K_B $ ở đâu Boltzmann Constant và $ T_0 $ là present temperature of the universe.
Sử dụng nhiệt độ hiện tại $ (T_0) $ là 2,7 K, chúng ta nhận được mật độ số photon CMB hiện tại là 400 cm −3 .
Mật độ số photon của sao vũ trụ nhỏ hơn nhiều (∼ = 10 −3 cm −3 ) so với quy mô lớn.
Tỷ lệ Baryon trên Photon (η)
Nếu sự đóng góp của các ngôi sao từ các thiên hà trộn lẫn với CMB là không đáng kể, thì tỷ lệ baryon trên proton là -
$$ \ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}} $$
Giá trị hiện tại là ∼5 × 10 −10 . Vì cả mật độ photon và số baryon đều tỷ lệ vớia−3, sau đó η không phát triển theo thời gian.
Mật độ năng lượng
Trái ngược với mật độ số, mật độ năng lượng vật chất chiếm ưu thế hơn so với mật độ năng lượng photon hiện nay.
Mật độ năng lượng của vật chất baryonic = $ \ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} ergcm ^ {- 3} $. Trong khi, Mật độ năng lượng của bức xạ = $ aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ {- 13} ergcm {−3} $.
Tính đẳng hướng của bức xạ CMB
Penzias và Wilsonnhận thấy CMB là đẳng hướng trong giới hạn quan sát. Các giới hạn là độ phân giải góc và độ nhạy của dụng cụ thấp. Họ thực hiện các quan sát từ trái đất, do đó, các quan sát không thể được thực hiện qua tất cả các quang phổ vì hơi nước trong khí quyển hấp thụ nhiều bước sóng khác nhau, từ 1mm đến 1m. Vì vậy, CMB không thể được khẳng định là một phổ.
CMB được cho là bất biến quay (đẳng hướng). Vì đã tồn tại một thời điểm khi vật chất và bức xạ ở trạng thái cân bằng, nên việc hình thành các cấu trúc trong vũ trụ là không thể giải thích được. Vì sự phân bố của vật chất không phải là đẳng hướng mà được kết tụ lại với nhau như một mạng vũ trụ với những khoảng trống khổng lồ ở giữa, CMB được cho là có nguồn gốc ngoài thiên hà.
Nhưng, khi các quan sát từ không gian bắt đầu, các dị hướng trong CMB đã được tìm thấy, dẫn đến suy luận rằng các dị hướng này trong vật chất dẫn đến sự hình thành các cấu trúc.
Quan sát bức xạ CMB từ không gian
Các vệ tinh chính được phóng lên để quan sát CMB là -
Cosmic Microwave Background Explorer (COBE, 1989)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001) và
Planck (2009).
COBE (Trình khám phá nền vũ trụ)
COBE chủ yếu có hai công cụ. Họ đãFar InfraRed Absolute Spectrometer (FIRAS) và Differential Microwave Radiometers(Anten DMR). FIRAS đo cường độ của CMB dưới dạng hàm của bước sóng dọc theo bất kỳ hướng cụ thể nào. Trong khi đó, DMR có 3 ăng-ten để đo sự khác biệt về cường độ của CMB từ ba hướng khác nhau. Những gợi ý sau đây cung cấp cho chúng tôi thêm một số thông tin về FIRAS và DMR.
Các quan sát CMB từ FIRAS cho thấy bức xạ CMB tương ứng với phổ vật đen tại T = 2.72528 ± 0.00065 K.
DMR đo ba tần số (31,5 GHz, 53 GHz, 90 GHz) theo mọi hướng trên bầu trời.
"Biểu tượng người dơi màu đỏ" trong các quan sát DMR là tiếng ồn từ phát xạ tiền cảnh (phát xạ đồng bộ khuếch tán thiên hà).
Sự thay đổi cường độ trong các quan sát tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Sự hiện diện của các điểm nóng và điểm lạnh chứng tỏ bức xạ CMB có tính dị hướng.
Tính dị hướng này phải có tại thời điểm tách vì không có biến dạng trong CMB. Vì vậy, vật chất nên có một số túi với mật độ cao hơn các túi khác.
Kết quả COBE
Quang phổ CMB (cường độ như một hàm của năng lượng) gần như là một vật đen hoàn hảo ứng với T = 2,7 K. Cường độ riêng của bức xạ CMB gần như giống nhau đối với tất cả các phương. Xác nhận rằng vũ trụ là đẳng hướng ở quy mô lớn (xác nhận giả định của chúng ta về nguyên lý vũ trụ).
Phân tích dữ liệu cho thấy có sự dị hướng nhiệt độ (“dao động”) trong phổ CMB ở độ phân giải COBE (DMR).
Resolution of COBE, WMAP, Planck
Thiết bị DMR trên bo mạch COBE có độ phân giải không gian giới hạn (tối đa) là ∼ 7 độ.
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) có độ phân giải trung bình là 0,7 độ.
Vệ tinh Planck có độ phân giải góc ∼ 10 cung-phút.
Những điểm cần nhớ
Mật độ số photon sao vũ trụ nhỏ hơn nhiều so với mật độ số photon CMB.
Chúng ta đang sống trong một vũ trụ chi phối vật chất, vì mật độ năng lượng vật chất cao hơn mật độ năng lượng photon.
COBE, WMAP, Planck là những nỗ lực để đo lường và định lượng các chất dị hướng trong CMB.
Sự hình thành cấu trúc trong vũ trụ là kết quả của dị hướng CMB.