Rayonnement relique, partie 1: preuves du Big Bang
Comment le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques - la lueur résiduelle du Big Bang - continue de faire la lumière sur la naissance de notre univers
L'annonce des résultats du BICEP2, montrant les premières preuves que des ondes gravitationnelles pourraient apparaître dans l'Univers primitif, a alimenté l'intérêt pour la cosmologie parmi les scientifiques et tout le monde. Les ondes gravitationnelles peuvent polariser le KMFI, la lueur résiduelle du Big Bang, d'une certaine manière, et c'est le signal de polarisation qui a été détecté par le BICEP2, situé au pôle Sud. Mais les données les plus récentes proviennent du télescope Planck, et à en juger par eux, la plupart des résultats du BICEP2 peuvent être expliqués non pas par les ondes gravitationnelles, mais par la poussière à proximité, qui observe le KMFI observé.Nous devons attendre des données supplémentaires, à la fois du travail conjoint du BICEP2 et de Planck, et d'autres expériences, afin de déterminer quelle proportion de poussière cosmique a pris en compte les ondes gravitationnelles représentées. Une chose est claire: les blogs scientifiques et les sites d'actualités garderont une trace des nouvelles découvertes. Ce texte est une tentative d'aider les auteurs de futurs articles sur de nouvelles recherches en cosmologie KMFI à entrer dans le contexte, en commençant par les bases du KMFI, comment il a été formé et ce qu'il peut nous dire. Le sujet principal de l'article sera l'intensité du KMFI (nous l'appelons température), et dans le prochain article je parlerai davantage de polarisation.L'histoire
La première découverte de KMFI en 1964 s'est produite par accident. Arno Penzias et Robert Wilson ont travaillé sur une expérience dans le laboratoire de Bell et ont utilisé des ballons comme réflecteurs pour transmettre des communications micro-ondes entre deux points. Pour ce faire, ils devaient savoir si un bruit de fond affecterait leurs mesures. Ils ont traité presque tout le bruit, sauf une chose: un rayonnement micro-ondes homogène à 2,73 K, qui, comme il s'est avéré plus tard, est apparu 380 000 ans après le Big Bang.Depuis la découverte (pour laquelle les scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique en 1978), plusieurs expériences sur Terre et dans l'espace ont mesuré le KMFI avec une précision toujours croissante. En 1992, l'expérience Cosmic Background Explorer (CoBE) a fait les premières observations d'irrégularités de rayonnement - de petits changements de température 100 000 fois plus petits que la température de fond moyenne de 2,73 K. Ensuite, la sonde d'anisotropie hyperfréquence Wilkinson (WMAP) a élargi nos connaissances sur les irrégularités les températures en 2003 et en 2013 Planck a donné la mesure la plus précise à ce jour. De nouvelles expériences augmentent non seulement la précision des mesures de température, mais réduisent également les dimensions angulaires des erreurs.
Qu'est-ce que le KMFI?
Avant la formation du KMFI, les composants habituels de l'Univers étaient la lumière (photons), les noyaux d'hydrogène et d'hélium et les électrons libres. (Oui, il y avait encore des neutrinos et de la matière noire, mais à leur sujet une autre fois). Comme les électrons libres sont chargés négativement, ils interagissent avec les photons dans la diffusion dite de Thomson. Si le photon et l'électron se croisent, ils rebondissent l'un sur l'autre, comme des boules de billard. À cette époque, les photons avaient une énergie très élevée, et la température moyenne de l'Univers était supérieure à 3000 K. Cette température maintenait les électrons dans un état libre, car l'énergie des photons dépassait l'énergie d'ionisation des atomes: l'énergie nécessaire pour faire sortir un électron d'un atome. Au lieu de rester attachés à des noyaux chargés positivement d'hydrogène et d'hélium, les électrons ont été presque immédiatement éliminés par les photons.
Ces deux effets, les photons impliqués dans l'ionisation des atomes et les photons interagissant avec les électrons, entraînent des conséquences importantes. La fréquence élevée des interactions signifie que le photon ne volera pas loin avant de se heurter à nouveau à l'électron et de changer de direction. Imaginez-vous conduire dans un brouillard dense lorsque les phares d'un véhicule à l'avant ne sont pas visibles, car la lumière est diffusée par les molécules d'eau. C'était exactement le cas dans l'Univers avant l'apparition du KMFI - la lumière était complètement absorbée par le brouillard des électrons libres (ils parlent souvent d'un Univers opaque). La combinaison de l'opacité et de la diffusion Thomson donne également au KMFI une température uniforme dans toutes les directions.
Il est également connu qu'il devrait y avoir de petites fluctuations dans la région de température uniforme du KMFI, car une fréquence élevée d'interactions indique la présence de photons partout où la matière est présente. Vous avez peut-être entendu dire que le KMPI nous donne des informations sur le contenu de la matière noire dans l'Univers, ou que les endroits froids et chauds du KMPI correspondent à des régions plus ou moins denses - et c'est pourquoi. La matière noire n'interagit pas avec la matière ordinaire, elle peut donc s'accumuler en amas denses, tandis que les photons sont retenus par le brouillard des électrons libres. L'attraction gravitationnelle des amas de matière noire rassemble les noyaux et les électrons, et avec eux - les photons.Les fluctuations de la température des photons que nous avons observées au KMFI nous indiquent directement où se trouvait la matière il y a 13 milliards d'années. (Et si vous n'êtes pas impressionné que les cosmologistes aient pu enregistrer le KMFI, sachez que les fluctuations de température observées sont 100 000 fois inférieures à 2,73 K - ce sont des microkelvin!)
En même temps, l'espace s'agrandissait et les vagues de photons augmentaient. L'énergie photonique est liée à sa longueur d'onde, et plus la longueur est longue, moins il y a d'énergie. Au final, l'expansion étire les photons pour que leur énergie tombe en dessous de l'énergie d'ionisation. Et à ce moment, les électrons se combinent avec les noyaux et obtiennent de l'hydrogène et de l'hélium neutres (et d'autres choses), et les photons ont la possibilité d'une propagation sans entrave.
Le moment de la formation d'atomes neutres est appelé recombinaison et est souvent décrit comme la transformation de l'univers en un transparent. Les photons, s'étant échappés au-delà des limites du brouillard électronique, peuvent se déplacer dans la direction dans laquelle ils rencontreront éventuellement la Terre et nos capteurs KMFI! Le bref instant entre la diffusion des photons et la formation d'atomes neutres s'appelle la surface de la dernière diffusion. C'est lui qui nous est montré par le KMFI. Puisque l'Univers était opaque jusqu'à ce moment, nous ne pourrons littéralement rien voir.Et avec ces cartes?
La meilleure façon d'extraire des informations des cartes de distribution KMFI est de calculer le spectre d'énergie, et vous en avez probablement rencontré un dans des articles de vulgarisation scientifique. La connexion entre les zones chaudes et froides peut être déroutante, mais en fait, tout est très simple.Pour comprendre cette connexion, nous nous tournons vers une forme d'onde simple. Toute onde lisse non périodique que vous pouvez trouver ou dessiner a une propriété mathématique importante: elle peut être écrite comme la somme de nombreuses ondes périodiques différentes avec certaines fréquences et amplitudes. Une onde peut être décrite dans l'espace réel, c'est-à-dire construite sur les axes x et y. Mais elle peut aussi être décrite à travers une fonction harmonique, c'est-à-dire construire la dépendance des fréquences qui doivent être additionnées aux amplitudes de chacune d'elles. Le gif montre la relation entre l'onde, comment elle peut être divisée en la somme des différentes fréquences et comment tout cela se rapporte à la fonction harmonique. Pour les personnes ayant une formation mathématique, nous pouvons simplement dire qu'il s'agit de la transformée de Fourier.
Si au lieu d'ondes sur un plan, les ondes à la surface sont représentées, ce sera KMPI - un motif de points chauds (pics) et de points froids (creux) situés à la surface de la dernière diffusion. Au lieu d'une seule image des fluctuations de température du KMFI, vous pouvez les écrire comme la somme de différents modèles, chacun correspondant à un mode particulier ou multipôle.
Les graphiques du spectre de puissance du KMFI montrent la force de chaque mode et, après leur sommation, ils reproduisent l'image du KMFI.
L'idée ingénieuse du spectre de puissance en cosmologie est que nous pouvons faire des prédictions sur sa forme sur la base de nos idées sur l'univers. Le modèle standard pour la cosmologie est appelé LambdaCDM, c'est-à-dire Lambda (énergie sombre) Cold Dark Matter, et pour la plupart des multipôles, il correspond remarquablement au spectre de température du KMFI. Dans les plus petits multipôles, il y a quelques bizarreries, dont beaucoup sont bien décrites ici.
Jusqu'à présent, il n'y a eu qu'une discussion sur la température du KMFI observé, mais les photons ont également une polarisation. La lumière étant une onde électromagnétique, elle a une intensité et une orientation par rapport au système de coordonnées de base. La direction d'orientation est la polarisation, et la raison pour laquelle les lunettes noires bloquent si bien l'éblouissement. Ils filtrent les ondes lumineuses orientées dans la même direction, généralement réfléchies par une surface plane. La polarisation du KMFI (qui est de deux types, le mode E et le mode B), se décompose en un spectre de puissance de la même manière que les fluctuations de température.Ces spectres ajoutent encore plus d'informations sur notre premier univers, peut-être même qu'ils peuvent trouver des preuves de l'existence d'ondes gravitationnelles préhistoriques. Mais le peuvent-ils? C'est ce conflit entre Planck et BICEP2 que les scientifiques tentent de résoudre!Source: https://habr.com/ru/post/fr397669/
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