Анизотропия CMB Radiation & Cobe

В этой главе мы обсудим анизотропию излучения CMB и COBE, т. Е. Cosmic Background Explorer.

Первичные анизотропии в CMB

Чтобы понять наблюдения из космоса и первичные анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении, давайте возьмем следующие уравнения и поймем их, как показано ниже.

CMB Плотность числа фотонов (n _γ , 0)

n gamma,0= fracTotalenergydensityХарактеристикаenergyofФотоны $$n _ {\ gamma, 0} = \ frac {Total \: energy \: density} {Характеристика \: energy \: of \: Фотоны}$$

$$n _ {\ gamma, 0} = \ frac {aT_0 ^ 4} {k_BT_0}$$

Где $k_B$ — постоянная Больцмана, а $T_0$ — текущая температура Вселенной .

Используя текущую температуру $(T_0)$ как 2.7 K, мы получаем текущую плотность числа фотонов CMB как 400 см ⁻³ .

Числовая плотность космических звездных фотонов значительно меньше (much = 10 ⁻³ см ⁻³ ) на больших масштабах.

Отношение бариона к фотону (η)

Если звездные вклады от галактик, которые смешиваются с CMB, незначительны, отношение бариона к протону равно —

$$\ eta = \ frac {n_ {b, 0}} {n _ {\ gamma, 0}}$$

Текущая стоимость составляет ×5 × 10 ^-10 . Поскольку плотности как фотонов, так и барионных чисел пропорциональны ⁻³ , то η не эволюционирует со временем.

Плотность энергии

В отличие от плотности числа, плотность энергии вещества в настоящее время преобладает над плотностью энергии фотонов.

Плотность энергии барионной материи = $\ rho_ {b, 0} c ^ 2 = 0,04 \ rho_cc ^ 2 = 2 × 10 ^ {- 9} эргсм ^ {- 3}$. При этом плотность энергии излучения = $aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ {- 13} эргсм {−3}$.

Изотропия излучения CMB

Пензиас и Уилсон обнаружили, что CMB является изотропным в пределах наблюдений. Ограничениями являются низкое угловое разрешение и чувствительность приборов. Они проводили наблюдения с Земли, поэтому наблюдения не могут быть выполнены по всему спектру, так как водяной пар в атмосфере поглощает много длин волн в диапазоне от 1 мм до 1 м. Таким образом, CMB нельзя утверждать как спектр.

СМБ считается вращательно-инвариантным (изотропным). Поскольку существовало время, когда материя и излучение находились в равновесии, образование структур во Вселенной необъяснимо. Поскольку распределение материи не изотропно, а сгруппировано как космическая сеть с огромными пустотами между ними, считается, что CMB имеет внегалактическое происхождение.

Но, когда начались наблюдения из космоса, были обнаружены анизотропии в CMB, которые приводят к рассуждению, что эти анизотропии в веществе приводят к образованию структур.

Наблюдение излучения CMB из космоса

Основные спутники, которые были запущены для наблюдения CMB, были —

• Космический микроволновый фоновый обозреватель (COBE, 1989)

• Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP, 2001) и

• Планк (2009).

Космический микроволновый фоновый обозреватель (COBE, 1989)

Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP, 2001) и

Планк (2009).

COBE (Космический Исследователь Фонов)

У COBE в основном было два инструмента. Это Абсолютный Спектрометр Дальнего Инфракрасного Спектра (FIRAS) и Дифференциальный Микроволновый Радиометр (Антенны DMR). FIRAS измеряет интенсивность CMB как функцию длины волны вдоль любого конкретного направления. Принимая во внимание, что DMR имеет 3 антенны для измерения разницы в интенсивности CMB с трех разных направлений. Следующие указатели дают нам больше информации о FIRAS и DMR.

• Наблюдения CMB от FIRAS показывают, что излучение CMB 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 на небе.

• «Красный символ бэтмена» в наблюдениях DMR — это шум от переднего плана (галактическое диффузное синхротронное излучение).

• Изменения интенсивности в наблюдениях соответствуют изменениям температуры. Наличие горячих и холодных пятен доказывает, что излучение CMB является анизотропным.

• Эта анизотропия должна присутствовать во время развязки, поскольку в CMB нет искажений. Итак, материя должна иметь несколько карманов с более высокой плотностью, чем у других.

Наблюдения CMB от FIRAS показывают, что излучение CMB 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 на небе.

«Красный символ бэтмена» в наблюдениях DMR — это шум от переднего плана (галактическое диффузное синхротронное излучение).

Изменения интенсивности в наблюдениях соответствуют изменениям температуры. Наличие горячих и холодных пятен доказывает, что излучение CMB является анизотропным.

Эта анизотропия должна присутствовать во время развязки, поскольку в CMB нет искажений. Итак, материя должна иметь несколько карманов с более высокой плотностью, чем у других.

Результаты COBE

Спектр CMB (интенсивность как функция энергии) является почти идеальным черным телом, соответствующим T = 2,7 K. Удельная интенсивность излучения CMB практически одинакова для всех направлений. Подтверждение того, что Вселенная изотропна в больших масштабах (подтверждает наше предположение о космологическом принципе).

Анализ данных показал, что существуют температурные анизотропии («флуктуации») в спектре CMB при разрешении COBE (DMR).

Резолюция COBE, WMAP, Планка

Встроенный COBE прибора DMR имел предельное (максимальное) пространственное разрешение ∼ 7 градусов.

Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP) имел среднее разрешение 0,7 градуса.

Планетарный спутник имеет угловое разрешение arc 10 угловых минут.

Числовая плотность космических звездных фотонов намного меньше плотности фотонов CMB.

Мы живем во вселенной, в которой доминирует материя, поскольку плотность энергии материи выше плотности энергии фотонов.

COBE, WMAP, Planck — это усилия по измерению и количественной оценке анизотропии в CMB.

Формирование структуры во вселенной является результатом анизотропии CMB.