Reliktstrahlung, Teil 1: Beweise für den Urknall
Wie kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung - das verbleibende Leuchten des Urknalls - weiterhin Licht auf die Geburt unseres Universums wirft
Die Bekanntgabe der Ergebnisse von BICEP2, die die ersten Beweise dafür zeigten, dass Gravitationswellen im frühen Universum auftreten könnten, weckte das Interesse der Wissenschaftler und aller anderen an der Kosmologie. Gravitationswellen können das KMFI, das verbleibende Leuchten des Urknalls, auf bestimmte Weise polarisieren, und es war das Polarisationssignal, das von BICEP2 am Südpol erfasst wurde. Die neuesten Daten stammen jedoch aus dem Planck-Teleskop, und nach diesen können die meisten Ergebnisse von BICEP2 nicht durch Gravitationswellen erklärt werden, sondern durch Staub in der Nähe, der den von uns beobachteten KMFI beobachtet.Wir müssen auf zusätzliche Daten warten, sowohl aus der gemeinsamen Arbeit von BICEP2 und Planck als auch aus anderen Experimenten, um festzustellen, welcher Anteil des kosmischen Staubes die Gravitationswellen berücksichtigt. Eines ist klar: Wissenschaftsblogs und Nachrichtenseiten werden neue Entdeckungen verfolgen. Dieser Text ist ein Versuch, Autoren zukünftiger Artikel über neue Forschungen in der KMFI-Kosmologie in den Kontext zu bringen, beginnend mit den Grundlagen des KMFI, wie es gebildet wurde und was es uns sagen kann. Das Hauptthema des Artikels wird die Intensität des KMFI sein (wir nennen es Temperatur), und im nächsten Artikel werde ich mehr über Polarisation sprechen.Die Geschichte
Die erste Entdeckung von KMFI im Jahr 1964 erfolgte zufällig. Arno Penzias und Robert Wilson arbeiteten an einem Experiment in Bells Labor und verwendeten Ballons als Reflektoren, um die Mikrowellenkommunikation zwischen zwei Punkten zu übertragen. Dazu mussten sie herausfinden, ob Hintergrundgeräusche ihre Messungen beeinflussen würden. Sie verarbeiteten fast das gesamte Rauschen, bis auf eines: homogene Mikrowellenstrahlung bei 2,73 K, die, wie sich später herausstellte, 380.000 Jahre nach dem Urknall auftrat.Seit der Entdeckung (für die Wissenschaftler 1978 den Nobelpreis für Physik erhielten) haben mehrere Experimente auf der Erde und im Weltraum den KMFI mit immer größerer Genauigkeit gemessen. 1992 machte das Cosmic Background Explorer (CoBE) -Experiment die ersten Beobachtungen von Unregelmäßigkeiten in der Strahlung - kleine Temperaturänderungen, 100.000-mal kleiner als die durchschnittliche Hintergrundtemperatur von 2,73 K. Dann erweiterte die Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) unser Wissen über Unregelmäßigkeiten Temperaturen im Jahr 2003 und im Jahr 2013 gab Planck die bisher genaueste Messung. Neue Experimente erhöhen nicht nur die Genauigkeit von Temperaturmessungen, sondern verringern auch die Winkelabmessungen von Fehlern.
Was ist KMFI?
Vor der Bildung des KMFI waren die üblichen Bestandteile des Universums Licht (Photonen), Wasserstoff- und Heliumkerne sowie freie Elektronen. (Ja, es gab immer noch Neutrinos und dunkle Materie, aber ein anderes Mal über sie). Da freie Elektronen negativ geladen sind, interagieren sie mit Photonen in der sogenannten Thomson-Streuung. Wenn sich Photon und Elektron schneiden, prallen sie wie Billardkugeln voneinander ab. Zu dieser Zeit hatten Photonen eine sehr hohe Energie und die durchschnittliche Temperatur des Universums betrug mehr als 3000 K. Diese Temperatur hielt die Elektronen in einem freien Zustand, da die Energie der Photonen die Ionisierungsenergie der Atome überstieg: die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Atom herauszuschlagen. Anstatt an positiv geladenen Kernen von Wasserstoff und Helium gebunden zu bleiben, wurden die Elektronen fast sofort von Photonen ausgeknockt.
Diese beiden Effekte, Photonen, die an der Ionisierung von Atomen beteiligt sind, und Photonen, die mit Elektronen interagieren, führen zu wichtigen Konsequenzen. Die hohe Häufigkeit von Wechselwirkungen bedeutet, dass das Photon nicht weit fliegt, bevor es wieder mit dem Elektron kollidiert und die Richtung ändert. Stellen Sie sich vor, Sie fahren in dichtem Nebel, wenn die Scheinwerfer eines vorausfahrenden Fahrzeugs nicht sichtbar sind, da das Licht von Wassermolekülen gestreut wird. Dies war genau der Fall im Universum, bevor das KMFI erschien - Licht wurde vollständig vom Nebel der freien Elektronen absorbiert (sie sprechen oft von einem undurchsichtigen Universum). Die Kombination von Opazität und Thomson-Streuung verleiht dem KMFI auch eine gleichmäßige Temperatur in alle Richtungen.
Es ist auch bekannt, dass es im Bereich der gleichmäßigen Temperatur des KMFI kleine Schwankungen geben sollte, da eine hohe Häufigkeit von Wechselwirkungen das Vorhandensein von Photonen überall dort anzeigt, wo Materie vorhanden ist. Sie haben vielleicht gehört, dass das KMPI uns Informationen über den Inhalt der Dunklen Materie im Universum gibt oder dass die kalten und heißen Orte des KMPI mehr oder weniger dichten Regionen entsprechen - und deshalb. Dunkle Materie interagiert nicht mit gewöhnlicher Materie, so dass sie sich in dichten Klumpen sammeln kann, während Photonen durch Nebel von freien Elektronen zurückgehalten werden. Die Anziehungskraft von Klumpen dunkler Materie bringt Kerne und Elektronen und damit auch Photonen zusammen.Die von uns am KMFI beobachteten Schwankungen der Photonentemperatur sagen uns direkt, wo sich die Materie vor 13 Milliarden Jahren befand. (Und wenn Sie nicht beeindruckt sind, dass Kosmologen den KMFI registrieren konnten, wissen Sie, dass die beobachteten Temperaturschwankungen 100.000-mal weniger als 2,73 K betragen - das sind Mikrokelvin!)
Gleichzeitig dehnte sich der Raum aus und die Wellen der Photonen dehnten sich aus. Die Photonenenergie hängt mit ihrer Wellenlänge zusammen und je länger die Länge, desto weniger Energie. Am Ende streckt die Expansion die Photonen so, dass ihre Energie unter die Ionisierungsenergie fällt. Und in diesem Moment verbinden sich die Elektronen mit den Kernen und erhalten neutralen Wasserstoff und Helium (und einige andere Dinge), und Photonen erhalten die Möglichkeit einer ungehinderten Ausbreitung.
Der Moment der Bildung neutraler Atome wird als Rekombination bezeichnet und oft als Umwandlung des Universums in ein transparentes Universum beschrieben. Photonen, die über die Grenzen des elektronischen Nebels hinausgekommen sind, können sich in die Richtung bewegen, in die sie schließlich auf die Erde und unsere KMFI-Sensoren treffen werden! Der kurze Moment zwischen der Streuung von Photonen und der Bildung neutraler Atome wird als Oberfläche der letzten Streuung bezeichnet. Er ist es, der uns vom KMFI gezeigt wird. Da das Universum bis zu diesem Moment undurchsichtig war, werden wir buchstäblich nichts sehen können.Was ist mit diesen Karten?
Der beste Weg, Informationen aus KMFI-Verteilungskarten zu extrahieren, besteht darin, das Energiespektrum zu berechnen, und Sie haben wahrscheinlich eine davon in populärwissenschaftlichen Artikeln getroffen. Die Verbindung zwischen heißen und kalten Bereichen kann verwirrend sein, aber tatsächlich ist alles sehr einfach.Um diesen Zusammenhang zu verstehen, wenden wir uns einer einfachen Wellenform zu. Jede nichtperiodische glatte Welle, die Sie finden oder zeichnen können, hat eine wichtige mathematische Eigenschaft: Sie kann als Summe vieler verschiedener periodischer Wellen mit bestimmten Frequenzen und Amplituden geschrieben werden. Eine Welle kann im realen Raum beschrieben werden, dh auf der x- und der y-Achse aufgebaut sein. Es kann aber auch durch eine harmonische Funktion beschrieben werden, dh die Abhängigkeit der Frequenzen, die summiert werden müssen, von den Amplituden jeder von ihnen aufzubauen. Das GIF zeigt die Beziehung zwischen der Welle, wie sie in die Summe verschiedener Frequenzen unterteilt werden kann und wie sich alles auf die harmonische Funktion bezieht. Für Menschen mit einer mathematischen Ausbildung können wir einfach sagen, dass dies die Fourier-Transformation ist.
Wenn anstelle von Wellen in einer Ebene Wellen auf der Oberfläche dargestellt werden, ist dies KMPI - ein Muster aus Hot Spots (Peaks) und Cold Spots (Dips), die sich auf der Oberfläche der letzten Streuung befinden. Anstelle eines einzelnen Bildes der Temperaturschwankungen des KMFI können Sie diese als Summe verschiedener Muster schreiben, von denen jedes einem bestimmten Modus oder Multipol entspricht.
Die Diagramme des Leistungsspektrums des KMFI zeigen, wie stark jeder Modus ist, und nach ihrer Summierung reproduzieren sie das Bild des KMFI.
Die geniale Idee des Leistungsspektrums in der Kosmologie ist, dass wir basierend auf unseren Vorstellungen über das Universum Vorhersagen über seine Form treffen können. Das Standardmodell für die Kosmologie heißt LambdaCDM, dh Lambda (Dunkle Energie) Kalte Dunkle Materie, und für die meisten Multipole entspricht es bemerkenswert dem Temperaturspektrum des KMFI. In den kleinsten Multipolen gibt es einige Kuriositäten, von denen viele hier gut beschrieben sind.
Bisher wurde nur die Temperatur des beobachteten KMFI diskutiert, aber Photonen haben auch Polarisation. Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, hat es Intensität und Orientierung relativ zum Basiskoordinatensystem. Die Richtung der Ausrichtung ist die Polarisation, und der Grund, warum dunkle Brillen die Blendung so gut blockieren. Sie filtern Lichtwellen heraus, die in die gleiche Richtung ausgerichtet sind und normalerweise von einer flachen Oberfläche reflektiert werden. Die Polarisation des KMFI (von zwei Arten, dem E-Modus und dem B-Modus) zerfällt auf die gleiche Weise wie Temperaturschwankungen in ein Leistungsspektrum.Diese Spektren liefern noch mehr Informationen über unser frühes Universum, vielleicht können sie sogar Hinweise auf die Existenz prähistorischer Gravitationswellen finden. Aber können sie? Es ist dieser Konflikt zwischen Planck und BICEP2, den Wissenschaftler zu lösen versuchen!Source: https://habr.com/ru/post/de397669/
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