Космология — космический микроволновый фон

CMB (космический микроволновый фон) по существу состоит из фотонов того времени, когда материя и излучение находились в равновесии. К 1920-м годам идея расширения вселенной была принята и могла ответить на несколько вопросов. Но вопросы об изобилии более тяжелых элементов и изобилии остались без ответа. Более того, расширяющаяся вселенная подразумевает, что плотность вещества должна уменьшиться до 0.

В 1948 году Джордж Гаммов и Ральф Альфер объяснили Происхождение более тяжелых элементов и их изобилие, используя «Большой взрыв». Они вместе с Робертом Германом предсказали существование «реликтового излучения» или излучения, оставшегося от «большого взрыва». Прогнозируемая температура для этого остаточного излучения составляла 50-6 К. В 1965 году Роберт Дик, Джим Пиблз и Дэвид Уилкинсон вместе с исследовательской группой Amo Perizias экспериментально обнаружили CMB.

Ранняя Вселенная была очень горячей, а энергия была слишком высокой, чтобы материя оставалась нейтральной. Следовательно, вещество находилось в ионизированной форме — плазме . Излучение (фотоны) и вещество (плазма) взаимодействовали в основном посредством следующих трех процессов.

• Комптоновское рассеяние — (основной процесс взаимодействия) Неупругое рассеяние между фотоном высокой энергии и заряженной частицей низкой энергии.

• Томсоновское рассеяние — упругое рассеяние фотона на свободной заряженной частице.

• Обратное комптоновское рассеяние — заряженная частица с высокой энергией и фотон с низкой энергией. Эти взаимодействия в конечном итоге привели к тому, что вещество и излучение находятся в тепловом равновесии.

Комптоновское рассеяние — (основной процесс взаимодействия) Неупругое рассеяние между фотоном высокой энергии и заряженной частицей низкой энергии.

Томсоновское рассеяние — упругое рассеяние фотона на свободной заряженной частице.

Обратное комптоновское рассеяние — заряженная частица с высокой энергией и фотон с низкой энергией. Эти взаимодействия в конечном итоге привели к тому, что вещество и излучение находятся в тепловом равновесии.

Тепловое равновесие

В тепловом равновесии излучение подчиняется планковскому распределению энергии ,

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

За это время из-за очень частых взаимодействий длина свободного пробега фотонов была очень мала. Вселенная была непрозрачна для радиации. В ранней вселенной преобладали радиации. Вселенная развивалась таким образом, что материя и радиация достигли теплового равновесия, и их плотность энергии стала равной. Это видно из графика, показывающего эволюцию плотности с масштабным коэффициентом. Выясним масштабный фактор (время) (a (t)), при котором вещество и излучение достигли равновесия.

 rhom propto frac1a3, rhor propto frac1a4 $$\ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3}, \: \ rho_r \ propto \ frac {1} {a ^ 4}$$

$$\ frac {\ rho_ {m, t}} {\ rho_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ {m, t}} {\ Omega_ {r, t}} = \ frac {\ Omega_ { м, 0}} {\ omega_ {г, 0}} а (т)$$

В равновесии,

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

 Rightarrow frac Omegam,0 Omegar,0a(t)=1 Rightarrowa(t)=2.96 times10−4 $$\ Rightarrow \ frac {\ Omega_ {m, 0}} {\ Omega_ {r, 0}} a (t) = 1 \: \ Rightarrow a (t) = 2.96 \ times 10 ^ {- 4}$$

используя $\ Omega_ {m, 0} = 0,27$ и $\ Omega_ {r, 0} = 8 \ times 10 ^ {- 5}$. Красное смещение, соответствующее этому масштабному коэффициенту, определяется как —

$$z = 1 / a (t) -1 \ приблизительно 3375$$

Плотность энергии излучения снизилась из-за расширения Вселенной. Таким образом, вселенная начала остывать. Когда энергия фотонов начала уменьшаться, начали формироваться нейтральные атомы. Таким образом, около красного смещения 1300 нейтральный водород начал формироваться. В эту эпоху температура была близка к 3000К.

Взаимодействие между веществом и радиацией стало очень редким, и, таким образом, вселенная стала прозрачной для радиации. Этот период времени называется «Поверхность последнего рассеяния», поскольку длина свободного пробега фотонов стала очень большой, из-за чего после этого периода практически не происходило никакого рассеяния. Его также называют «Космическая Фотосфера» .

CMB состоит из фотонов того времени, когда материя 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 вещества с излучением.

Вселенная развивалась так, что материя и радиация достигли теплового равновесия.