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Reliktstrahlung, Teil 2: Beweise für den Urknall



Im ersten Teil haben wir über kleine Temperaturschwankungen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (KMPI) gesprochen. Jetzt wechseln wir zu einer anderen Komponente des KMFI, die ungefähr 100-mal kleiner als das Temperatursignal ist: der Polarisation. Obwohl wir Konzepte diskutieren, die in engem Zusammenhang mit unserer täglichen Erfahrung stehen, muss daran erinnert werden, dass die Reststrahlung des Urknalls tatsächlich nur Licht ist. Und Licht ist eine elektromagnetische Welle, ein oszillierender Satz elektrischer Felder (E) und magnetischer Felder (B), die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.



Wir müssen sofort sagen, dass sich das Vorhandensein von Polarisation in Form eines E-Modus (irrotationale Komponente) und eines B-Modus (Wirbel) manifestieren kann, da Photonen elektrische und magnetische Felder haben, die sich voneinander unterscheiden, aber gekoppelt sind . Die jüngste freudige Erregung, die mit den prähistorischen B-Moden bei der Polarisation des KMFI verbunden ist, und die Möglichkeit ihrer direkten Detektion verdienen es, darüber bekannt zu sein. Sie werden uns den einfachsten Zugang zu Informationen über den Energieverbrauch während der Inflation ermöglichen, einem der frühesten Stadien der Entwicklung des Universums, dessen Spuren in einigen anderen gemessenen Parametern zu finden sind. B-Modi sind nur ein Teil der gesamten Polarisationsgeschichte.

KMPI-Licht ist nicht nur ein Glühen


Kurz gesagt, wir erinnern uns an den ersten Teil: Das größte KMFI-Signal liegt in Form von Temperaturschwankungen von Licht (oder Photonen) vor. Ein Meer von freien Elektronen und Photonen interagiert sehr oft miteinander (über Thomson-Streuung), und die Elektronen bleiben frei, weil die Photonen genug Energie haben, um zu verhindern, dass sich die Elektronen mit Atomkernen verbinden. Elektronen sind mit Photonen assoziiert und bewegen sich gleichzeitig ständig zwischen Bereichen erhöhter Dichte, die durch Verklumpen dunkler Materie gebildet werden.



Gleichzeitig dehnt sich der Raum aus, wodurch die Wellenlänge der Photonen erhöht wird, wodurch sie Energie verlieren. Infolgedessen verlieren Photonen genug Energie, so dass sich Elektronen mit Kernen verbinden können, die Thomson-Streuung aufhört und sich Licht ungehindert ausbreiten kann. Dieser Moment wird Rekombination genannt, und der Ort, von dem die Photonen kommen, wird die Oberfläche der letzten Streuung genannt. Die eiförmigen Beobachtungsgraphen des KMFI zeigen die heißen und kalten Flecken von Photonen auf der Oberfläche der letzten Streuung am Himmel, verteilt nach den Bedingungen vor der Rekombination des Universums.

Die Temperaturverteilung ist jedoch nur ein Teil der Informationen, die in der Physik des damaligen Universums verschlüsselt sind. Außerdem enthalten Lichtwellen eine bevorzugte Ausrichtung in verschiedenen Teilen des Himmels, dh je nach Richtung zur Quelle schwingt die Lichtwelle in einer Richtung stärker als in der anderen. Diese Ausrichtung - die bevorzugte Richtung der Wellenschwingung - ist die Polarisation.

Polarisation


Polarisation ist leichter vorstellbar als Temperatur. Die Polarisation der KMFI-Photonen und die Oberfläche der letzten Streuung sind die Früchte der Thomson-Streuung und keine komplexe Mischung aus Streuung und Schwingungen aufgrund des Abflusses dunkler Materie und des Drucks der Photonen nach außen, wie dies bei der Temperatur der Fall ist. Mit anderen Worten, trotz der Verbreitung im Universum beeinflusst dunkle Materie die Polarisation von KMFI-Photonen nicht. Polarisation kann auch durch Gravitationslinsen auftreten, und die Physik der Dunklen Materie und der galaktischen Cluster ist an diesem Prozess beteiligt. Aber in dem Artikel betrachte ich nur die Polarisation auf der Oberfläche der letzten Streuung.



Um zu verstehen, wie Thomson-Streuung zur Polarisation führt, müssen wir verstehen, wie dieser Prozess abläuft. Eine einfache Erklärung ist eine Kollision zweier Objekte, und wie bei fast jedem physikalischen Konzept ist eine einfache Erklärung unvollständig. Zur Verdeutlichung müssen wir drei Dinge klarstellen:
1. Photonen bestehen aus einem elektrischen und magnetischen Feld,
2. Elektronen beginnen sich zu bewegen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind,
3. beim Beschleunigen emittiert ein Elektron ein Photon und meistens - in einem Winkel von 90 Grad zur Bewegungsrichtung .

Im Rahmen unseres Themas wird ein Photon von KMFI von einem Elektron absorbiert und das Elektron in Richtung des elektrischen Feldes des Photons beschleunigt. Infolgedessen emittiert das Elektron ein neues Photon, so dass sein elektrisches Feld in eine bestimmte Richtung gerichtet ist und die gleiche Frequenz wie das ursprüngliche Photon hat. Dies ergibt polarisiertes Licht: ein Photon aus einem Bereich, in dem das elektrische Feld des Photons im Durchschnitt in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.





Dies reicht jedoch nicht aus, um das KMFI zu polarisieren. Wir brauchen auch eine spezielle Konfiguration von Elektronen und Photonen, wenn ein Elektron heiße Photonen von oben und unten und kältere von links und rechts „sieht“. Eine solche Anordnung, einander gegenüberliegende heiße Abschnitte und einander gegenüberliegende kalte Abschnitte, ist als Quadrupol bekannt .



Wenn es eine Quadrupolanordnung um das Elektron gibt, beschleunigen die von den heißen Regionen einfallenden Photonen die Elektronen mehr als die kälteren Photonen. Das vom Elektron wieder emittierte Licht wird polarisiert, da der größte Teil der Stärke des elektrischen Feldes auf den Ort der Hot Spots ausgerichtet ist. Es stellt sich auch heraus, dass nur der Quadrupol zur Polarisation führt - komplexere Konfigurationen von heißen und kalten Abschnitten führen nicht zur beobachteten Polarisation im KMFI.





Also nochmal.

• Photonen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern und beschleunigen das Elektron während der Wechselwirkung.
• Aufgrund der Beschleunigung emittiert das Elektron ein neues Photon.
• Quadrupole, die für Elektronen sichtbar sind, beschleunigen das Elektron so, dass die von ihm emittierten Photonen polarisiert sind.
• Schließlich führen nur Quadrupole zur beobachteten Polarisation im KMFI.

Wir konfigurieren Quadrupole


Es stellt sich heraus, dass wir für das Auftreten der Polarisation Quadrupole benötigen. Wie bekomme ich sie? Es gibt zwei Hauptmechanismen für ihre Erzeugung: Dichteschwankungen und Gravitationswellen.

Dichteschwankungen führen zum Auftreten der beobachteten Temperaturverteilung. Es gibt dichte Regionen zerknitterter dunkler Materie (und in etwas geringerem Maße gewöhnlicher Materie), die Photonen und Elektronen anziehen. Im ersten Teil haben wir bereits beschrieben, wie dies funktioniert und zur Erzeugung von heißen und kalten Patches führt. Wo also die Temperatur schwankt, sollte es Polarisationsschwankungen geben.




Bild der Verformung eines Teilchenrings beim Durchgang einer Gravitationswelle. In KMFI macht die Erweiterung Photonen kälter und die Kompression heißer, wodurch Quadrupole entstehen, die zur Polarisation führen

Gravitationswellen erzeugen auf andere Weise Quadrupole, die den Raum dehnen und komprimieren. Die obigen Bilder zeigen, wie sich der Partikelring durch eine vorbeiziehende Gravitationswelle ändert. Diese Verformungen wirken sich auch auf die Wellenlänge aus, wodurch das Photon im Kontraktionsbereich heißer und im Streckbereich kälter aussieht. Auf den Bildern ist leicht zu verstehen, wie heiße Stellen über und unter dem Elektron und kalte links und rechts erscheinen.



Was ist mit dem B-Mod?





Eine spezielle Art der Polarisation, der B-Modus, wurde kürzlich in der Presse ausführlich behandelt. Wie hängen sie mit der beschriebenen Polarisation zusammen?

Jedes Polarisationsfeld kann in zwei Teile unterteilt werden: den Teil, in dem die Partikel von einem bestimmten Punkt in der Mitte kommen (E-Modi), und den Teil, in dem sich die Partikel um einen bestimmten Punkt nach rechts oder links drehen (B-Modus). Wenn wir uns an den Institutskurs in Physik erinnern, entspricht der erste Fall Strahlung ohne Turbulenzen und der zweite der Strahlung ohne Divergenz. Die Namen E- und B- stammen von Analoga von Feldern, die in Maxwells Gleichungen im Vakuum vorkommen, wobei Feld E keine Turbulenzen und Feld B keine Divergenz aufweist.

Dichteschwankungen - wenn wir eine Quadrupolverteilung von heißen und kalten Abschnitten um ein Elektron erhalten - wirken sich auf die Emission von E-Moden aus, und Gravitationswellen - Zugringe - führen zum Auftreten von E-Mode und B-Mode. Infolgedessen werden B-Moden in der Polarisation des QMFR nur durch Gravitationswellen erzeugt (wenn wir ausschließlich über die Oberfläche der letzten Streuung sprechen), und E-Moden treten sowohl als Folge von Gravitationswellen als auch von Dichteschwankungen auf. Da Dichteschwankungen viel mehr als Gravitationswellen beeinflussen, sollte das E-Mode-Signal in Dichteeffekten vorherrschen, was mit den Beobachtungen übereinstimmt. Daher ist die Messung von B-Moden das Hauptziel von Experimentatoren, die die prähistorischen Gravitationswellen im KMPI sehen wollen.

Daher hat die Suche nach B-Modi in der kosmologischen Gemeinschaft Priorität. Früher hatte das BICEP2-Team die Entdeckung prähistorischer B-Modi angekündigt, diese Analyse wurde jedoch in Frage gestellt und erfordert zusätzliche Beobachtungen. Es werden mehrere Experimente vorbereitet, von Planck bis EBEX, SPTPol, Spider und anderen.

Natürlich werden wir auf viele Neuigkeiten warten, die über diese Experimente berichten. Und wenn wir die Natur des frühen Universums beleuchten, können wir möglicherweise sogar die schwer fassbare Spur im restlichen Schein des Urknalls erkennen: Wellen auf dem Gewebe des Weltraums!

Source: https://habr.com/ru/post/de397597/

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