Radiación de reliquia, parte 1: evidencia del Big Bang
Cómo la radiación cósmica de fondo de microondas, el resplandor residual del Big Bang, continúa arrojando luz sobre el nacimiento de nuestro universo
El anuncio de los resultados de BICEP2, que muestra la primera evidencia de que podrían aparecer ondas gravitacionales en el Universo temprano, avivó el interés en la cosmología entre los científicos y todos los demás. Las ondas gravitacionales pueden polarizar el KMFI, el resplandor residual del Big Bang, de cierta manera, y fue la señal de polarización la que fue detectada por BICEP2, ubicada en el Polo Sur. Pero los datos más recientes provienen del telescopio Planck y, a juzgar por ellos, la mayoría de los resultados de BICEP2 pueden explicarse no por ondas gravitacionales, sino por el polvo cercano, que observa el KMFI observado.Necesitamos esperar datos adicionales, tanto del trabajo conjunto de BICEP2 y Planck, como de otros experimentos, para determinar qué proporción de polvo cósmico tuvo en cuenta las ondas gravitacionales. Una cosa está clara: los blogs de ciencia y los sitios de noticias realizarán un seguimiento de los nuevos descubrimientos. Este texto es un intento de ayudar a los autores de futuros artículos sobre nuevas investigaciones en KMFI-cosmología a entrar en el contexto, comenzando con los conceptos básicos de KMFI, cómo se formó y qué puede decirnos. El tema principal del artículo será la intensidad del KMFI (lo llamamos temperatura), y en el próximo artículo hablaré más sobre la polarización.La historia
El primer descubrimiento de KMFI en 1964 ocurrió por accidente. Arno Penzias y Robert Wilson trabajaron en un experimento en el laboratorio de Bell y usaron globos como reflectores para transmitir comunicaciones de microondas entre dos puntos. Para hacer esto, necesitaban averiguar si algún ruido de fondo afectaría sus mediciones. Procesaron casi todo el ruido, excepto por una cosa: radiación de microondas homogénea a 2.73 K, que, como resultó más tarde, apareció 380,000 años después del Big Bang.Desde el descubrimiento (por el cual los científicos recibieron el Premio Nobel de Física en 1978), varios experimentos en la Tierra y en el espacio han medido el KMFI con una precisión cada vez mayor. En 1992, el experimento Cosmic Background Explorer (CoBE) realizó las primeras observaciones de irregularidades en la radiación: pequeños cambios de temperatura 100,000 veces más pequeños que la temperatura de fondo promedio de 2.73 K. Luego, la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) amplió nuestro conocimiento de las irregularidades temperaturas en 2003, y en 2013 Planck dio la medida más precisa hasta la fecha. Los nuevos experimentos no solo aumentan la precisión de las mediciones de temperatura, sino que también reducen las dimensiones angulares de los errores.
¿Qué es el KMFI?
Antes de la formación del KMFI, los componentes habituales del Universo eran luz (fotones), núcleos de hidrógeno y helio, y electrones libres. (Sí, todavía había neutrinos y materia oscura, pero sobre ellos en otra ocasión). Como los electrones libres tienen carga negativa, interactúan con los fotones en la llamada dispersión de Thomson. Si el fotón y el electrón se cruzan, rebotan entre sí, como bolas de billar. En ese momento, los fotones tenían una energía muy alta, y la temperatura promedio del Universo era más de 3000 K. Esta temperatura mantenía a los electrones en un estado libre, ya que la energía de los fotones excedía la energía de ionización de los átomos: la energía necesaria para sacar un electrón de un átomo. En lugar de permanecer unidos a núcleos de hidrógeno y helio cargados positivamente, los electrones fueron eliminados casi inmediatamente por los fotones.
Estos dos efectos, los fotones involucrados en la ionización de los átomos y los fotones que interactúan con los electrones, tienen consecuencias importantes. La alta frecuencia de interacciones significa que el fotón no volará muy lejos antes de que vuelva a chocar con el electrón y cambie de dirección. Imagínese conduciendo en una densa niebla cuando los faros delanteros de un vehículo en el frente no son visibles, ya que las moléculas de agua dispersan la luz. Este fue exactamente el caso en el Universo antes de que apareciera el KMFI: la luz fue completamente absorbida por la niebla de electrones libres (a menudo hablan de un Universo opaco). La combinación de opacidad y dispersión de Thomson también le da al KMFI una temperatura uniforme en todas las direcciones.
También se sabe que debería haber pequeñas fluctuaciones en la región de temperatura uniforme del KMFI, ya que una alta frecuencia de interacciones indica la presencia de fotones dondequiera que esté presente la materia. Es posible que haya escuchado que el KMPI nos brinda información sobre el contenido de materia oscura en el Universo, o que los lugares fríos y calientes del KMPI corresponden a regiones más o menos densas, y es por eso. La materia oscura no interactúa con la materia ordinaria, por lo que puede acumularse en grupos densos, mientras que los fotones son detenidos por la niebla de los electrones libres. La atracción gravitacional de los grupos de materia oscura reúne núcleos y electrones, y con ellos, fotones.Las fluctuaciones en la temperatura de los fotones observadas por nosotros en el KMFI nos dicen directamente dónde se encontraba el asunto hace 13 mil millones de años. (Y si no está impresionado de que los cosmólogos hayan podido registrar el KMFI, sepa que las fluctuaciones de temperatura observadas son 100,000 veces menos que 2.73 K, ¡son microkelvinas!)
Al mismo tiempo, el espacio se expandía y las ondas de fotones se expandían. La energía del fotón está relacionada con su longitud de onda, y cuanto más larga sea la longitud, menor será la energía. Al final, la expansión estira los fotones para que su energía caiga por debajo de la energía de ionización. Y en este momento, los electrones se combinan con los núcleos y obtienen hidrógeno y helio neutros (y algunas otras cosas), y los fotones tienen la posibilidad de propagación sin obstáculos.
El momento de formación de átomos neutros se llama recombinación, y a menudo se describe como la transformación del universo en uno transparente. ¡Los fotones, habiendo escapado más allá de los límites de la niebla electrónica, pueden viajar en la dirección en la que eventualmente se encontrarán con la Tierra y nuestros sensores KMFI! El breve momento entre la dispersión de los fotones y la formación de átomos neutros se llama superficie de la última dispersión. Es él quien nos lo muestra el KMFI. Como el Universo era opaco hasta este momento, literalmente no podremos ver nada.¿Y qué con estas cartas?
La mejor manera de extraer información de los mapas de distribución de KMFI es calcular el espectro de energía, y probablemente conociste a uno de ellos en artículos de divulgación científica. La conexión entre áreas frías y calientes puede ser confusa, pero de hecho, todo es muy simple.Para entender esta conexión, recurrimos a una forma de onda simple. Cualquier onda suave no periódica que pueda encontrar o dibujar tiene una propiedad matemática importante: puede escribirse como la suma de muchas ondas periódicas diferentes con ciertas frecuencias y amplitudes. Una onda se puede describir en el espacio real, es decir, construida sobre los ejes x e y. Pero también se puede describir a través de una función armónica, es decir, construir la dependencia de las frecuencias que deben sumarse a las amplitudes de cada una de ellas. El gif muestra la relación entre la onda, cómo se puede dividir en la suma de diferentes frecuencias y cómo se relaciona todo con la función armónica. Para las personas con educación matemática, simplemente podemos decir que esta es la transformación de Fourier.
Si en lugar de ondas en un plano, se representan ondas en la superficie, esto será KMPI, un patrón de puntos calientes (picos) y puntos fríos (caídas) ubicados en la superficie de la última dispersión. En lugar de una sola imagen de las fluctuaciones de temperatura del KMFI, puede escribirlas como la suma de diferentes patrones, cada uno de los cuales corresponde a un modo particular o multipolar.
Los gráficos del espectro de potencia del KMFI muestran cuán fuerte es cada modo y, después de sumarlos, reproducen la imagen del KMFI.
La ingeniosa idea del espectro de potencia en cosmología es que podemos hacer predicciones sobre su forma en función de nuestras ideas sobre el universo. El modelo estándar para la cosmología se llama LambdaCDM, es decir, Lambda (energía oscura) Cold Dark Matter, y para la mayoría de los multipolares coincide notablemente con el espectro de temperatura del KMFI. En los multipolares más pequeños hay algunas rarezas, muchas de las cuales están bien descritas aquí.
Hasta ahora, solo se ha discutido la temperatura del KMFI observado, pero los fotones también tienen polarización. Dado que la luz es una onda electromagnética, tiene intensidad y orientación en relación con el sistema de coordenadas base. La dirección de orientación es la polarización, y la razón por la que las gafas oscuras bloquean tan bien el resplandor. Filtran ondas de luz orientadas en la misma dirección, generalmente reflejadas desde una superficie plana. La polarización del KMFI (que es de dos tipos, el modo E y el modo B), se descompone en un espectro de potencia de la misma manera que las fluctuaciones de temperatura.Estos espectros agregan aún más información sobre nuestro Universo temprano, tal vez incluso puedan encontrar evidencia de la existencia de ondas gravitatorias prehistóricas. ¿Pero pueden ellos? ¡Es este conflicto entre Planck y BICEP2 lo que los científicos están tratando de resolver!Source: https://habr.com/ru/post/es397669/
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