Cosmology - Nền vi sóng vũ trụ

CMB (Nền vi sóng vũ trụ) về cơ bản được cấu thành bởi các photon ở thời điểm vật chất và bức xạ ở trạng thái cân bằng. Đến những năm 1920, ý tưởng về một vũ trụ giãn nở đã được chấp nhận và có thể trả lời một số câu hỏi. Nhưng các câu hỏi về sự phong phú của các nguyên tố nặng hơn và sự phong phú vẫn chưa được giải đáp. Hơn nữa, vũ trụ đang giãn nở ngụ ý rằng mật độ vật chất nên giảm xuống 0.

Năm 1948, George Gammow và Ralph Alpher giải thích Nguồn gốc của các nguyên tố nặng hơn và sự phong phú bằng cách sử dụng "Big Bang". Họ cùng với Robert Herman đã dự đoán sự tồn tại của "Bức xạ Relict" hoặc bức xạ còn lại từ "Vụ nổ lớn". Nhiệt độ dự đoán cho bức xạ tàn dư này là từ 50-6 K. Năm 1965, Robert Dicke, Jim Peebles và David Wilkinson cùng với Nhóm nghiên cứu của Amo Perizias đã phát hiện ra CMB trong thực nghiệm.

Vũ trụ sơ khai rất nóng và năng lượng quá cao khiến vật chất không thể duy trì trạng thái trung tính. Do đó, vật chất ở dạng ion hóa -Plasma. Bức xạ (photon) và Vật chất (plasma) tương tác chủ yếu thông qua ba quá trình sau.

Compton Scattering - (Quá trình tương tác chính) Tán xạ không đàn hồi giữa photon năng lượng cao và hạt mang điện năng lượng thấp.
Thomson Scattering - Sự tán xạ đàn hồi của photon bởi một hạt mang điện tự do.
Inverse Compton Scattering- Hạt mang năng lượng cao và photon năng lượng thấp. Những tương tác này cuối cùng dẫn đến vật chất và bức xạ ở trạng thái cân bằng Nhiệt.

Cân bằng nhiệt

Ở trạng thái cân bằng nhiệt, bức xạ tuân theo Planck Distribution of Energy,

$$ B_v (T) = \ frac {2hv ^ 3} {c (e ^ {hv / k_BT} -1)} $$

Trong thời gian này, do các tương tác thường xuyên cao, đường đi tự do trung bình của các photon là rất nhỏ. Vũ trụ mờ đục đối với bức xạ. Vũ trụ sơ khai bị bức xạ chi phối. Vũ trụ phát triển theo cách mà vật chất và bức xạ đạt đến trạng thái Cân bằng Nhiệt và mật độ năng lượng của chúng trở nên bằng nhau. Điều này có thể được nhìn thấy từ biểu đồ thể hiện sự tiến hóa của mật độ với hệ số tỷ lệ. Chúng ta hãy tìm hệ số tỉ lệ (thời gian) (a (t)) mà tại đó vật chất và bức xạ đạt trạng thái cân bằng.

$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$

$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) $$

Ở trạng thái cân bằng,

$$ \ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = 1 $$

$$ \ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2,96 \ times 10 ^ {- 4} $$

bằng cách sử dụng $ \ Omega_ {m, 0} = 0,27 $ và $ \ Omega_ {r, 0} = 8 \ times 10 ^ {- 5} $. Sự dịch chuyển màu đỏ tương ứng với hệ số tỷ lệ này được cho bởi:

$$ z = 1 / a (t) -1 \ khoảng 3375 $$

Mật độ năng lượng của bức xạ giảm xuống do sự giãn nở của vũ trụ. Do đó, vũ trụ bắt đầu nguội dần. Khi năng lượng của các photon bắt đầu giảm, các nguyên tử trung hòa bắt đầu hình thành. Do đó, vào khoảng dịch chuyển đỏ 1300, Hydrogen trung tính bắt đầu hình thành. Thời đại này có nhiệt độ gần 3000K.

Sự tương tác giữa vật chất và bức xạ trở nên không thường xuyên và do đó vũ trụ bắt đầu trở nên trong suốt đối với bức xạ. Khoảng thời gian này được gọi là“Surface of last scattering”vì đường đi tự do trung bình của các photon trở nên rất lớn do đó hầu như không có sự tán xạ nào xảy ra sau khoảng thời gian này. Nó còn được gọi là“Cosmic Photosphere”.

Những điểm cần nhớ

CMB được cấu thành bởi các photon tại thời điểm vật chất và bức xạ ở trạng thái cân bằng.
Vũ trụ sơ khai rất nóng và năng lượng quá cao khiến vật chất không thể giữ được trung tính, vì vậy nó tồn tại dưới dạng vật chất ion hóa-Plasma.
Tán xạ Compton, Tán xạ Thomson, Tán xạ Compton ngược là 3 quá trình tương tác bức xạ vật chất khi đó.
Vũ trụ phát triển đến mức vật chất và bức xạ đạt đến trạng thái cân bằng Nhiệt.