Radiasi peninggalan, bagian 1: bukti Big Bang
Bagaimana radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik - cahaya sisa dari Big Bang - terus memberi penerangan tentang kelahiran alam semesta kita
Pengumuman hasil BICEP2, menunjukkan bukti pertama bahwa gelombang gravitasi dapat muncul di awal Semesta, memicu minat dalam kosmologi di antara para ilmuwan dan semua orang. Gelombang gravitasi dapat mempolarisasi KMFI, cahaya sisa dari Big Bang, dengan cara tertentu, dan itu adalah sinyal polarisasi yang terdeteksi oleh BICEP2, yang terletak di Kutub Selatan. Tetapi data terbaru datang dari teleskop Planck, dan berdasarkan penilaian mereka, sebagian besar hasil BICEP2 dapat dijelaskan bukan oleh gelombang gravitasi, tetapi oleh debu di dekatnya, yang mengamati KMFI yang diamati.Kita perlu menunggu data tambahan, baik dari karya gabungan BICEP2 dan Planck, dan dari eksperimen lain, untuk menentukan proporsi debu kosmik yang memperhitungkan gelombang gravitasi yang diperhitungkan. Satu hal yang jelas: blog sains dan situs berita akan melacak penemuan baru. Teks ini adalah upaya untuk membantu penulis artikel di masa depan tentang penelitian baru dalam KMFI-kosmologi memasuki konteks, dimulai dengan dasar-dasar KMFI, bagaimana ia dibentuk dan apa yang dapat disampaikannya kepada kami. Topik utama artikel ini adalah intensitas KMFI (kami menyebutnya suhu), dan pada artikel berikutnya saya akan berbicara lebih banyak tentang polarisasi.Ceritanya
Penemuan pertama KMFI pada tahun 1964 terjadi secara tidak sengaja. Arno Penzias dan Robert Wilson mengerjakan percobaan di laboratorium Bell, dan menggunakan balon sebagai reflektor untuk mengirimkan komunikasi gelombang mikro antara dua titik. Untuk melakukan ini, mereka perlu mencari tahu apakah kebisingan latar belakang akan mempengaruhi pengukuran mereka. Mereka memproses hampir semua kebisingan, kecuali satu hal: radiasi gelombang mikro homogen pada 2,73 K, yang, ternyata kemudian, muncul 380.000 tahun setelah Big Bang.Sejak penemuan (yang para ilmuwan menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada 1978), beberapa percobaan di Bumi dan di luar angkasa telah mengukur KMFI dengan akurasi yang semakin meningkat. Pada tahun 1992, percobaan Cosmic Background Explorer (CoBE) melakukan pengamatan pertama tentang penyimpangan radiasi - perubahan kecil dalam suhu, 100.000 kali lebih kecil dari suhu latar belakang rata-rata 2,73 K. Kemudian Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) memperluas pengetahuan kita tentang penyimpangan. suhu pada tahun 2003, dan pada tahun 2013 Planck memberikan pengukuran paling akurat hingga saat ini. Eksperimen baru tidak hanya meningkatkan keakuratan pengukuran suhu, tetapi juga mengurangi dimensi sudut kesalahan.
Apa itu KMFI?
Sebelum pembentukan KMFI, komponen yang biasa dari Alam Semesta adalah cahaya (foton), inti hidrogen dan helium, dan elektron bebas. (Ya, masih ada neutrino dan materi gelap, tetapi tentang mereka lain waktu). Karena elektron bebas bermuatan negatif, mereka berinteraksi dengan foton dalam apa yang disebut hamburan Thomson. Jika foton dan elektron bersilangan, mereka saling memantul, seperti bola bilyar. Pada saat itu, foton memiliki energi yang sangat tinggi, dan suhu rata-rata alam semesta adalah lebih dari 3000 K. Suhu ini membuat elektron dalam keadaan bebas, karena energi foton melebihi energi ionisasi atom: energi yang diperlukan untuk menjatuhkan elektron dari sebuah atom. Alih-alih tetap terikat pada inti hidrogen dan helium yang bermuatan positif, elektron-elektron segera dihancurkan oleh foton.
Dua efek ini, foton yang terlibat dalam ionisasi atom, dan foton yang berinteraksi dengan elektron, menimbulkan konsekuensi penting. Frekuensi interaksi yang tinggi berarti bahwa foton tidak akan terbang jauh sebelum bertabrakan dengan elektron lagi dan mengubah arah. Bayangkan mengemudi dalam kabut tebal ketika lampu depan kendaraan di depan tidak terlihat, karena cahaya tersebar oleh molekul air. Inilah yang terjadi di Semesta sebelum KMFI muncul - cahaya sepenuhnya diserap oleh kabut elektron bebas (mereka sering berbicara tentang Semesta buram). Kombinasi opacity dan hamburan Thomson juga memberikan KMFI suhu yang seragam di semua arah.
Diketahui juga bahwa harus ada fluktuasi kecil di wilayah suhu seragam KMFI, karena frekuensi interaksi yang tinggi menunjukkan keberadaan foton di mana pun materi hadir. Anda mungkin pernah mendengar bahwa KMPI memberi kami informasi tentang kandungan materi gelap di Alam Semesta, atau bahwa tempat-tempat dingin dan panas dari KMPI sesuai dengan daerah yang lebih padat atau kurang padat - dan itulah sebabnya. Materi gelap tidak berinteraksi dengan materi biasa, sehingga ia dapat terkumpul dalam rumpun padat, sementara foton ditahan oleh kabut dari elektron bebas. Daya tarik gravitasi rumpun materi gelap menyatukan inti dan elektron, dan dengannya - foton.Fluktuasi suhu foton yang kita amati di KMFI secara langsung memberi tahu kita di mana letak benda itu 13 miliar tahun yang lalu. (Dan jika Anda tidak terkesan bahwa para kosmolog dapat mendaftarkan KMFI, ketahuilah bahwa fluktuasi suhu yang diamati adalah 100.000 kali lebih kecil dari 2.73 K - ini adalah microkelvin!)
Pada saat yang sama, ruang itu mengembang dan gelombang foton mengembang. Energi foton berhubungan dengan panjang gelombangnya, dan semakin lama panjangnya, semakin sedikit energinya. Pada akhirnya, ekspansi membentang foton sehingga energi mereka jatuh di bawah energi ionisasi. Dan pada saat ini, elektron-elektron bergabung dengan nuklei dan mendapatkan hidrogen dan helium netral (dan beberapa hal lainnya), dan foton mendapatkan kemungkinan perambatan tanpa halangan.
Momen pembentukan atom netral disebut rekombinasi, dan sering digambarkan sebagai transformasi alam semesta menjadi transparan. Foton, setelah lolos dari batas kabut elektronik, dapat melakukan perjalanan ke arah yang akhirnya akan bertemu Bumi dan sensor KMFI kami! Momen singkat antara hamburan foton dan pembentukan atom netral disebut permukaan hamburan terakhir. Dialah yang ditunjukkan kepada kita oleh KMFI. Karena Semesta buram sampai saat ini, kita benar-benar tidak akan dapat melihat apa pun.Jadi bagaimana dengan kartu-kartu ini?
Cara terbaik untuk mengekstrak informasi dari peta distribusi KMFI adalah dengan menghitung spektrum energi, dan Anda mungkin bertemu salah satunya di artikel sains populer. Koneksi antara area panas dan dingin bisa membingungkan, tetapi pada kenyataannya, semuanya sangat sederhana.Untuk memahami koneksi ini, kita beralih ke bentuk gelombang sederhana. Setiap gelombang halus non-periodik yang dapat Anda temukan atau gambar memiliki satu sifat matematika yang penting: ia dapat ditulis sebagai jumlah dari banyak gelombang periodik yang berbeda dengan frekuensi dan amplitudo tertentu. Gelombang dapat digambarkan dalam ruang nyata, yaitu, dibangun di atas sumbu x dan y. Tapi itu juga dapat digambarkan melalui fungsi harmonik, yaitu, untuk membangun ketergantungan frekuensi yang perlu dijumlahkan pada amplitudo masing-masing. Gif menunjukkan hubungan antara gelombang, bagaimana ia dapat dibagi menjadi jumlah dari frekuensi yang berbeda, dan bagaimana semuanya berhubungan dengan fungsi harmonik. Untuk orang-orang dengan pendidikan matematika, kita dapat mengatakan bahwa ini adalah transformasi Fourier.
Jika bukan gelombang di pesawat, gelombang di permukaan diwakili, ini akan menjadi KMPI - pola hot spot (puncak) dan titik dingin (dips) yang terletak di permukaan hamburan terakhir. Alih-alih gambar tunggal fluktuasi suhu KMFI, Anda dapat menuliskannya sebagai jumlah dari pola yang berbeda, yang masing-masing sesuai dengan mode atau multipole tertentu.
Grafik spektrum daya KMFI menunjukkan seberapa kuat masing-masing mode, dan setelah menjumlahkannya, mereka mereproduksi gambar KMFI.
Ide cerdik dari spektrum daya dalam kosmologi adalah bahwa kita dapat membuat prediksi tentang bentuknya berdasarkan ide-ide kita tentang alam semesta. Model standar untuk kosmologi disebut LambdaCDM, yaitu, Lambda (energi gelap) Cold Dark Matter, dan untuk sebagian besar multipole sangat cocok dengan spektrum suhu KMFI. Dalam multipole terkecil ada beberapa keanehan, banyak di antaranya dijelaskan dengan baik di sini.
Sejauh ini, hanya ada diskusi tentang suhu KMFI yang diamati, tetapi foton juga memiliki polarisasi. Karena cahaya adalah gelombang elektromagnetik, ia memiliki intensitas dan orientasi relatif terhadap sistem koordinat basis. Arah orientasi adalah polarisasi, dan alasan kacamata hitam menghalangi silau dengan baik. Mereka menyaring gelombang cahaya yang berorientasi pada arah yang sama, biasanya tercermin dari permukaan datar. Polarisasi KMFI (yang terdiri dari dua jenis, mode-E dan mode-B), terurai menjadi spektrum daya dengan cara yang sama seperti fluktuasi suhu.Spektrum ini menambahkan lebih banyak informasi tentang Alam Semesta awal kita, bahkan mungkin mereka dapat menemukan bukti keberadaan gelombang gravitasi prasejarah. Tapi bisakah mereka? Konflik antara Planck dan BICEP2 inilah yang coba diselesaikan oleh para ilmuwan!Source: https://habr.com/ru/post/id397669/
All Articles