遗物辐射，第2部分：大爆炸的证据

在第一部分中，我们讨论了宇宙微波背景辐射（KMPI）中的小温度波动。现在，我们将切换到KMFI的另一个组件，即极化约比温度信号小100倍。尽管我们所讨论的概念与我们的日常经验无关，但必须记住，大爆炸的残留辐射实际上只是光。光是电磁波，以光速传播的一组振动的电场（E）和磁场（B）。



我们必须马上说，由于光子具有电场和磁场-彼此不同，但同时连接-极化的存在可以以E模式（无涡旋分量）和B模式（涡旋）的形式表现出来。KMFI极化中与史前B模式相关的近来令人兴奋的兴奋，以及它们直接检测的可能性，应该对此有所了解。它们将使我们能够最轻松地获取有关通货膨胀期间使用的能源的信息，这是宇宙发展的最早阶段之一，其踪迹可以在其他一些测量参数中找到。B模式只是整个极化历史的一部分。

KMPI的光不仅仅是发光

简而言之，我们回顾第一部分：最大的KMFI信号以光（或光子）的温度波动形式存在。自由电子和光子的海洋非常频繁地相互作用（通过汤姆森散射），并且电子保持自由，因为光子具有足够的能量来阻止电子与原子核结合。电子与光子相关联，同时，它们在由暗物质聚集形成的密度增加的区域之间不断移动。



同时，空间扩大，这增加了光子的波长，因此光子会损失能量。结果，光子损失了足够的能量，因此电子可以与原子核结合，汤姆森散射停止，光可以不受阻碍地传播。此刻称为复合，光子来自的地方称为最后散射的表面。卵形的KMPI观测图显示了整个宇宙中最后一个散射表面上光子的热点和冷点，它们是根据宇宙重组之前的条件分布的。

但是温度分布只是当时宇宙物理学中加密的信息的一部分。另外，光波在天空的不同部分包含优选的方向，即，根据到光源的方向，光波在一个方向上的振动比在另一个方向上的振动大。这种方向-波振荡的首选方向-是极化。

偏光

极化比温度更容易想象。 KMFI光子的极化和最后一个散射的表面是Thomson散射的结果，而不是由于暗物质和光子压力向外流入区域而导致的散射和振荡的复杂混合物，例如温度。换句话说，尽管宇宙盛行，但暗物质不会影响KMFI光子的极化。由于引力透镜作用，也会发生极化，并且暗物质和银河星团的物理过程也参与其中。但是在本文中，我仅考虑最后一次散射的表面上的极化。



要了解汤姆森散射如何导致极化，我们需要了解该过程如何发生。对它的简单解释是两个物体的碰撞，并且就像几乎任何物理概念一样，简单解释也不完整。为了澄清，我们需要澄清三件事：
1.光子由电场和磁场组成；
2.电子在暴露于电场中时开始移动；
3.加速时，电子发射光子；并且最常见的是-与运动方向成90度角。

在我们的主题中，来自KMFI的光子被电子吸收，并且电子在光子电场的方向上被加速。结果，电子发射出一个新的光子，从而使其电场指向某个方向，并具有与原始光子相同的频率。这就是产生偏振光的原因：从平均光子电场沿某个方向取向的区域发出的光子。





但这还不足以使KMFI分化。当电子从上方和下方“看到”热光子，从左侧和右侧“看到”较冷的光子时，我们还需要特殊的电子和光子配置。彼此相对的热部分和彼此相对的冷部分的这种布置被称为四极。



如果在电子周围存在四极排列，则来自较热区域的入射光子对电子的加速作用要大于较冷的光子。由于电场的大部分强度将与热点的位置对齐，因此电子重新发射的光将变成偏振光。结果还表明，只有四极杆会导致极化-热区和冷区的更复杂配置不会导致KMFI中观察到的极化。





再说一遍。

•光子由电场和磁场组成，在相互作用期间使电子加速。
•由于加速，电子发射出新的光子。
•电子可见的四极杆以使电子发射的光子被极化的方式加速电子。
•最后，只有四极导致KMFI中观察到的极化。

我们配置四极

事实证明，对于极化的出现，我们需要四极。如何获得它们？它们的产生主要有两种机理：密度波动和引力波。

密度波动导致我们观察到温度分布的出现。有皱巴巴的暗物质（在某种程度上是普通物质）的密集区域吸引光子和电子。在第一部分中，我们已经描述了它是如何工作的以及如何导致热补丁和冷补丁的产生。因此，在温度波动的地方，应该有极化波动。




引力波通过期间粒子环的变形图像。在KMFI中，扩展使光子变冷而压缩变热，从而产生导致极化的四极

引力波以不同的方式产生四极，从而拉伸和压缩空间。上面的图片显示了粒子环将如何通过传递的重力波而发生变化。这些变形也会影响波长，从而使光子在收缩区域看起来更热而在拉伸区域变得更冷。从图片中很容易理解，热点在电子的上方和下方是如何出现的，而在左侧和右侧则是冷点。



那b-mod呢？





最近，新闻界广泛报道了一种特殊类型的偏振B模式。它们与所描述的极化有何关系？

每个极化场可分为两部分：粒子来自中心某个点的部分（E模式），以及粒子围绕某个点向右或向左扭曲的部分（B模式）。如果我们回想起物理学院的课程，第一种情况是无湍流的辐射，第二种情况是无发散的辐射。名称E-和B-来自真空中Maxwell方程中出现的场的类似物，其中场E没有湍流，场B没有散度。

密度波动-当我们得到电子周围热区和冷区的四极分布时-会影响E模式的发射，而重力波（拉伸环）会导致E模式和B模式的出现。结果，QMFR极化中的B模式仅由重力波产生（如果我们只讨论最后一个散射的表面），而E模式则是由重力波和密度波动共同产生的。由于密度波动的影响远大于重力波，因此E模式信号应以密度效应为主，这与观测结果一致。因此，B模式的测量是寻求查看KMPI中史前重力波的实验者的主要目标。

因此，在宇宙学界中寻找B模式是一个优先事项。早些时候，BICEP2小组宣布发现史前B模式，但这一分析受到质疑，还需要其他观察结果。从普朗克到EBEX，SPTPol，Spider等，正在准备几个实验。

当然，我们将等待大量有关这些实验的新闻。通过了解早期宇宙的本质，我们甚至可以发现大爆炸的残留辉光中最难以捉摸的痕迹：在空间的结构上起伏不定！

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN397597/