Radiação por relíquia, parte 1: evidência do Big Bang
Como a radiação cósmica de fundo em microondas - o brilho residual do Big Bang - continua a lançar luz sobre o nascimento do nosso universo
O anúncio dos resultados do BICEP2, mostrando a primeira evidência de que ondas gravitacionais poderiam aparecer no início do Universo, alimentou o interesse em cosmologia entre cientistas e todos os demais. As ondas gravitacionais podem polarizar o KMFI, o brilho residual do Big Bang, de certa maneira, e foi o sinal de polarização que foi detectado pelo BICEP2, localizado no Polo Sul. Mas os dados mais recentes vieram do telescópio Planck e, a julgar por eles, a maioria dos resultados do BICEP2 pode ser explicada não por ondas gravitacionais, mas por poeira próxima, que observa o KMFI observado.Precisamos aguardar dados adicionais, tanto do trabalho conjunto de BICEP2 e Planck, quanto de outros experimentos, a fim de determinar qual a proporção de poeira cósmica ocupada na conta de ondas gravitacionais de dados. Uma coisa é clara: os blogs de ciência e os sites de notícias acompanharão as novas descobertas. Este texto é uma tentativa de ajudar autores de futuros artigos sobre novas pesquisas em KMFI-cosmologia a entrar no contexto, começando com o básico do KMFI, como ele foi formado e o que ele pode nos dizer. O tópico principal do artigo será a intensidade do KMFI (chamamos de temperatura), e no próximo artigo falarei mais sobre polarização.A história
A primeira descoberta do KMFI em 1964 aconteceu por acidente. Arno Penzias e Robert Wilson trabalharam em um experimento no laboratório de Bell e usaram balões como refletores para transmitir comunicações de microondas entre dois pontos. Para fazer isso, eles precisavam descobrir se algum ruído de fundo afetaria suas medidas. Eles processaram quase todo o ruído, exceto por uma coisa: radiação homogênea de microondas a 2,73 K, que, como se viu mais tarde, apareceu 380.000 anos após o Big Bang.Desde a descoberta (pela qual os cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física em 1978), várias experiências na Terra e no espaço mediram o KMFI com precisão cada vez maior. Em 1992, o experimento Cosmic Background Explorer (CoBE) fez as primeiras observações de irregularidades na radiação - pequenas mudanças na temperatura, 100.000 vezes menores que a temperatura média do fundo de 2,73 K. Em seguida, a Sonda de Anisotropia por Microondas Wilkinson (WMAP) expandiu nosso conhecimento sobre irregularidades temperaturas em 2003 e em 2013 Planck forneceu as medidas mais precisas até o momento. Novas experiências não apenas aumentam a precisão das medições de temperatura, mas também reduzem as dimensões angulares dos erros.
O que é o KMFI?
Antes da formação do KMFI, os componentes usuais do Universo eram luz (fótons), núcleos de hidrogênio e hélio e elétrons livres. (Sim, ainda havia neutrinos e matéria escura, mas sobre eles outra vez). Como os elétrons livres são carregados negativamente, eles interagem com os fótons na chamada dispersão de Thomson. Se o fóton e o elétron se cruzam, eles ricocheteiam como bolas de bilhar. Naquela época, os fótons tinham energia muito alta e a temperatura média do Universo era superior a 3000 K. Essa temperatura mantinha os elétrons em um estado livre, uma vez que a energia dos fótons excedia a energia de ionização dos átomos: a energia necessária para tirar um elétron de um átomo. Em vez de permanecer ligados a núcleos de hidrogênio e hélio com carga positiva, os elétrons foram quase imediatamente nocauteados por fótons.
Esses dois efeitos, fótons envolvidos na ionização de átomos, e fótons interagindo com elétrons, levam a importantes consequências. A alta frequência de interações significa que o fóton não voará muito antes de colidir com o elétron novamente e mudar de direção. Imagine dirigir em um denso nevoeiro quando os faróis de um veículo na frente não estiverem visíveis, pois a luz é espalhada pelas moléculas de água. Foi exatamente esse o caso no universo antes do surgimento do KMFI - a luz foi completamente absorvida pela névoa de elétrons livres (eles costumam falar sobre um universo opaco). A combinação de opacidade e espalhamento Thomson também fornece ao KMFI uma temperatura uniforme em todas as direções.
Sabe-se também que deve haver pequenas flutuações na região de temperatura uniforme do KMFI, uma vez que uma alta frequência de interações indica a presença de fótons onde a matéria está presente. Você deve ter ouvido falar que o KMPI nos fornece informações sobre o conteúdo de matéria escura no Universo, ou que os locais frios e quentes do KMPI correspondem a regiões mais ou menos densas - e é por isso. A matéria escura não interage com a matéria comum, por isso é capaz de se reunir em aglomerados densos, enquanto os fótons são detidos pela névoa de elétrons livres. A atração gravitacional de aglomerados de matéria escura reúne núcleos e elétrons, e com eles - fótons.As flutuações na temperatura do fóton observadas por nós no KMFI nos dizem diretamente onde o assunto estava localizado 13 bilhões de anos atrás. (E se você não está impressionado com o fato de os cosmologistas terem conseguido registrar o KMFI, saiba que as flutuações de temperatura observadas são 100.000 vezes menores que 2,73 K - são microkelvinas!)
Ao mesmo tempo, o espaço estava se expandindo e as ondas de fótons estavam se expandindo. A energia do fóton está relacionada ao seu comprimento de onda, e quanto maior o comprimento, menos energia. No final, a expansão estende os fótons para que sua energia caia abaixo da energia de ionização. E, neste momento, os elétrons se combinam com os núcleos e obtêm hidrogênio e hélio neutros (e algumas outras coisas), e os fótons têm a possibilidade de propagação sem impedimentos.
O momento da formação de átomos neutros é chamado de recombinação e é frequentemente descrito como a transformação do universo em um transparente. Os fótons, tendo escapado além dos limites do nevoeiro eletrônico, podem viajar na direção em que eventualmente encontrarão a Terra e nossos sensores KMFI! O breve momento entre a dispersão dos fótons e a formação de átomos neutros é chamado superfície da última dispersão. É ele quem nos é mostrado pelo KMFI. Como o Universo era opaco até esse ponto, literalmente não podemos ver nada.Então, o que com esses cartões?
A melhor maneira de extrair informações dos mapas de distribuição KMFI é calcular o espectro de energia e você provavelmente conheceu um deles em artigos científicos populares. A conexão entre áreas quentes e frias pode ser confusa, mas, de fato, tudo é muito simples.Para entender essa conexão, passamos a uma forma de onda simples. Qualquer onda suave não periódica que você possa encontrar ou desenhar possui uma propriedade matemática importante: pode ser escrita como a soma de muitas ondas periódicas diferentes com determinadas frequências e amplitudes. Uma onda pode ser descrita no espaço real, ou seja, construída nos eixos xey. Mas também pode ser descrito através de uma função harmônica, isto é, para construir a dependência das frequências que precisam ser somadas nas amplitudes de cada uma delas. O gif mostra a relação entre a onda, como ela pode ser dividida na soma de diferentes frequências e como tudo se relaciona com a função harmônica. Para pessoas com educação matemática, podemos simplesmente dizer que essa é a transformação de Fourier.
Se, em vez de ondas em um avião, as ondas na superfície estiverem representadas, será KMPI - um padrão de pontos quentes (picos) e pontos frios (quedas) localizados na superfície da última dispersão. Em vez de uma única imagem das flutuações de temperatura do KMFI, você pode escrevê-las como a soma de diferentes padrões, cada um dos quais corresponde a um modo ou multipolar específico.
Os gráficos do espectro de potência do KMFI mostram quão forte é cada modo e, depois de somados, eles reproduzem a imagem do KMFI.
A idéia engenhosa do espectro de poder na cosmologia é que podemos fazer previsões sobre sua forma com base em nossas idéias sobre o universo. O modelo padrão de cosmologia é chamado LambdaCDM, ou seja, Lambda (energia escura) Cold Dark Matter, e para a maioria dos multipoles coincide notavelmente com o espectro de temperatura do KMFI. Nos menores multipolos, existem algumas esquisitices, muitas das quais são bem descritas aqui.
Até agora, houve apenas uma discussão sobre a temperatura do KMFI observado, mas os fótons também têm polarização. Como a luz é uma onda eletromagnética, possui intensidade e orientação em relação ao sistema de coordenadas da base. A direção da orientação é a polarização, e a razão pela qual os óculos escuros bloqueiam tanto o brilho. Eles filtram as ondas de luz orientadas na mesma direção, geralmente refletidas em uma superfície plana. A polarização do KMFI (que é de dois tipos, o modo E e o modo B), se decompõe em um espectro de potência da mesma maneira que as flutuações de temperatura.Esses espectros acrescentam ainda mais informações sobre o nosso Universo primitivo, talvez até encontrem evidências da existência de ondas gravitacionais pré-históricas. Mas eles podem? É esse conflito entre Planck e BICEP2 que os cientistas estão tentando resolver!Source: https://habr.com/ru/post/pt397669/
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