Radiación reliquia, parte 2: evidencia del Big Bang
En la primera parte, hablamos sobre pequeñas fluctuaciones de temperatura en la radiación cósmica de fondo de microondas (KMPI). Ahora cambiaremos a otro componente del KMFI, aproximadamente 100 veces más pequeño que la señal de temperatura: la polarización. Aunque estamos discutiendo conceptos que están poco relacionados con nuestra experiencia diaria, debe recordarse que la radiación residual del Big Bang es, de hecho, solo luz. Y la luz es una onda electromagnética, un conjunto oscilante de campos eléctricos (E) y campos magnéticos (B) que se propagan a la velocidad de la luz.
Debemos decir de inmediato que, dado que los fotones tienen campos eléctricos y magnéticos, que son diferentes entre sí, pero están acoplados, la presencia de polarización puede manifestarse en forma de un modo E (componente de irrigación) y un modo B (vórtice). La reciente y alegre emoción asociada con los modos B prehistóricos en la polarización del KMFI, y la posibilidad de su detección directa merece ser conocida al respecto. Nos darán el acceso más fácil a la información sobre la energía utilizada durante la inflación, una de las primeras etapas del desarrollo del Universo, cuyos rastros se pueden encontrar en algunos otros parámetros medidos. Los modos B son solo una parte de toda la historia de la polarización.La luz KMPI no es solo un resplandor
En pocas palabras, recordamos la primera parte: la señal KMFI más grande está presente en forma de fluctuaciones de temperatura de la luz (o fotones). Un mar de electrones y fotones libres interactúan entre sí muy a menudo (a través de la dispersión de Thomson), y los electrones permanecen libres, porque los fotones tienen suficiente energía para evitar que los electrones se combinen con los núcleos atómicos. Los electrones están asociados con los fotones y, al mismo tiempo, se mueven constantemente entre regiones de mayor densidad formada por la acumulación de materia oscura.
Al mismo tiempo, el espacio se expande, lo que aumenta la longitud de onda de los fotones, por lo que pierden energía. Como resultado, los fotones pierden suficiente energía para que los electrones puedan combinarse con los núcleos, la dispersión de Thomson cesa y la luz puede propagarse sin obstáculos. Este momento se llama recombinación, y el lugar de donde provienen los fotones se llama superficie de la última dispersión. Los gráficos de observación en forma de huevo del KMFI muestran los puntos fríos y calientes de los fotones en la superficie de la última dispersión por el cielo, distribuidos de acuerdo con las condiciones que preceden a la recombinación del Universo.Pero la distribución de temperatura es solo parte de la información encriptada en la física del Universo de esa época. Además, las ondas de luz contienen una orientación preferida en diferentes partes del cielo, es decir, dependiendo de la dirección de la fuente, la onda de luz oscila en una dirección más que en la otra. Esta orientación, la dirección preferida de la oscilación de la onda, es la polarización.Polarización
La polarización es más fácil de imaginar que la temperatura. La polarización de los fotones KMFI y la superficie de la última dispersión son los frutos de la dispersión de Thomson, y no una mezcla compleja de dispersión y oscilaciones debido al flujo externo de materia oscura y presión de fotones hacia las regiones, como es el caso de la temperatura. En otras palabras, a pesar de la prevalencia en el Universo, la materia oscura no afecta la polarización de los fotones KMFI. La polarización también puede ocurrir debido a la lente gravitacional, y la física de la materia oscura y los cúmulos galácticos está involucrada en este proceso. Pero en el artículo considero solo la polarización en la superficie de la última dispersión.
Para comprender cómo la dispersión de Thomson conduce a la polarización, debemos comprender cómo ocurre este proceso. Una explicación simple es una colisión de dos objetos y, como en casi cualquier concepto físico, una explicación simple será incompleta. Para aclarar, necesitamos aclarar tres cosas:1. los fotones consisten en un campo eléctrico y magnético,2. los electrones comienzan a moverse cuando están expuestos a un campo eléctrico,3. al acelerar, un electrón emite un fotón y, con mayor frecuencia, en un ángulo de 90 grados en la dirección del movimiento .En el contexto de nuestro tema, un fotón de KMFI es absorbido por un electrón, y el electrón se acelera en la dirección del campo eléctrico del fotón. Como resultado, el electrón emite un nuevo fotón para que su campo eléctrico se dirija en una determinada dirección y tenga la misma frecuencia que el fotón original. Esto es lo que da luz polarizada: un fotón de una región donde, en promedio, el campo eléctrico de fotones está orientado en una determinada dirección.
Pero esto no es suficiente para polarizar el KMFI. También necesitamos una configuración especial de electrones y fotones, cuando un electrón "ve" fotones calientes desde arriba y abajo, y más fríos desde la izquierda y la derecha. Tal disposición, secciones calientes opuestas entre sí, y frías opuestas entre sí, se conoce como cuadrupolo .
Si hay una disposición cuadrupolo alrededor del electrón, los fotones entrantes de las regiones calientes aceleran los electrones más que los fotones más fríos. La luz reemitida por el electrón se polariza, ya que la mayor parte de la fuerza del campo eléctrico se alineará con la ubicación de los puntos calientes. También resulta que solo el cuadrupolo conduce a la polarización; configuraciones más complejas de secciones calientes y frías no conducen a la polarización observada en el KMFI.
Así que de nuevo.• Los fotones están compuestos de campos eléctricos y magnéticos, y aceleran el electrón durante la interacción.• Debido a la aceleración, el electrón emite un nuevo fotón.• Los cuadrupolos, visibles por electrones, aceleran el electrón de tal manera que los fotones que emite están polarizados.• Finalmente, solo los cuadrupolos conducen a la polarización observada en el KMFI.Configuramos cuadrupolos
Resulta que para la aparición de la polarización necesitamos cuadrupolos. ¿Cómo conseguirlos? Hay dos mecanismos principales para su producción: fluctuaciones de densidad y ondas gravitacionales.Las fluctuaciones de densidad conducen a la aparición de la distribución de temperatura que observamos. Hay regiones densas de materia oscura arrugada (y, en menor medida, materia ordinaria) que atraen fotones y electrones. En la primera parte, ya hemos descrito cómo funciona esto y conduce a la creación de parches fríos y calientes. Entonces, donde las fluctuaciones de temperatura, debería haber fluctuaciones de polarización.
Imagen de la deformación de un anillo de partículas durante el paso de una onda gravitacional. En KMFI, la extensión hace que los fotones sean más fríos y la compresión más caliente, lo que crea cuadrupolos que conducen a la polarizaciónLas ondas gravitacionales crean cuadrupolos de una manera diferente, estirando y comprimiendo el espacio. Las imágenes de arriba muestran cómo cambiará el anillo de partículas a través de una onda gravitacional que pasa. Estas deformaciones también afectan la longitud de onda, haciendo que el fotón se vea más caliente si está en la región de contracción y más frío en la región de estiramiento. A partir de las imágenes, es fácil comprender cómo aparecen los puntos calientes arriba y abajo del electrón, y los puntos fríos a la izquierda y a la derecha.
¿Qué pasa con el b-mod?
Recientemente se ha cubierto ampliamente en la prensa un tipo especial de polarización, el modo B. ¿Cómo se relacionan con la polarización descrita?Cada campo de polarización se puede dividir en dos partes: la parte donde las partículas provienen de un cierto punto en el centro (modos E) y la parte donde las partículas se retuercen a la derecha o izquierda alrededor de un cierto punto (modo B). Si recordamos el curso de instituto en física, el primer caso corresponde a la radiación sin turbulencia, y el segundo a la radiación sin divergencia. Los nombres E- y B- provienen de análogos de campos que aparecen en las ecuaciones de Maxwell en el vacío, donde el campo E no tiene turbulencia y el campo B no tiene divergencia.Las fluctuaciones de densidad, cuando obtenemos una distribución cuadrupolo de secciones calientes y frías alrededor de un electrón, funciona en la emisión de los modos E, y las ondas gravitacionales (anillos de tensión) conducen a la aparición del modo E y el modo B. Como resultado, los modos B en la polarización del QMFR son producidos solo por ondas gravitacionales (si hablamos exclusivamente de la superficie de la última dispersión), y los modos E aparecen como resultado de ondas gravitacionales y fluctuaciones de densidad. Dado que las fluctuaciones de densidad influyen mucho más que las ondas gravitacionales, la señal en modo E debe prevalecer en los efectos de densidad, que coinciden con las observaciones. Por lo tanto, la medición de los modos B es el objetivo principal de los experimentadores que buscan ver las ondas gravitatorias prehistóricas en el KMPI.Por lo tanto, la búsqueda de modos B es una prioridad entre la comunidad cosmológica. Anteriormente, el equipo BICEP2 anunció el descubrimiento de modos B prehistóricos, pero este análisis fue cuestionado y requiere observaciones adicionales. Se están preparando varios experimentos, desde Planck hasta EBEX, SPTPol, Spider y otros.Por supuesto, esperaremos muchas noticias sobre estos experimentos. Y arrojando luz sobre la naturaleza del Universo temprano, incluso podemos detectar el rastro más difícil de alcanzar en el resplandor residual del Big Bang: ¡ondas en la estructura misma del espacio!Source: https://habr.com/ru/post/es397597/
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