Космический микроволновый фон
-
Открытие космического микроволнового фонового излучения
- В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно обнаружили реликтовое излучение.
- Это открытие стало кульминацией работ, начатых в 1940-х годах.
- Реликтовое излучение является доказательством теории Большого взрыва.
-
Характеристики реликтового излучения
- Реликтовое излучение заполняет все пространство в наблюдаемой Вселенной.
- Оно имеет температуру 2,72548±0,00057 К и является излучением абсолютно черного тела.
- Излучение однородно по всему небу и изотропно на одну часть из 25 000.
-
Анизотропия реликтового излучения
- Реликтовое излучение имеет слабую анизотропию, которую можно измерить с помощью чувствительных детекторов.
- Анизотропия связана с взаимодействием вещества и фотонов в ранней Вселенной.
- Анизотропия имеет частотные составляющие, которые могут быть представлены спектром мощности.
-
История открытия
- В 1931 году Жорж Леметр предположил, что остатки ранней Вселенной могут наблюдаться в виде излучения.
- В 1948 году Ральф Альфер и Роберт Херман предсказали существование космического микроволнового фона.
- В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон провели первое измерение реликтового излучения.
-
Космическое происхождение
- В конце 1960-х годов интерпретация реликтового излучения была спорной.
- В 1968 году было показано, что излучение соответствует тепловому источнику.
- В 1970 году было показано, что излучение изотропно, что подтвердило его космическое происхождение.
-
Прогресс в теории
- В 1970-х годах исследования показали, что незначительные отклонения от изотропии могут быть результатом событий в ранней Вселенной.
-
Ранние теории и эксперименты
- Харрисон, Пиблз, Ю и Зельдович предположили, что ранней Вселенной требовались квантовые неоднородности.
- Рашид Сюняев рассчитал наблюдаемый отпечаток этих неоднородностей.
-
Первые эксперименты и открытия
- В 1980-х годах были установлены строгие ограничения на анизотропию космического микроволнового фона.
- Спутник COBE обнаружил крупномасштабные анизотропии и подтвердил первичную анизотропию.
-
Точная космология и последующие эксперименты
- Вдохновленные COBE, были проведены наземные эксперименты для измерения анизотропии в меньших угловых масштабах.
- Измерения показали, что геометрия Вселенной плоская, а не изогнутая.
-
Миссия WMAP и Planck
- В 2001 году НАСА запустило миссию WMAP для более точных измерений.
- В 2009 году ЕКА запустило миссию Planck для еще более детальных исследований.
-
Теоретические модели и предсказания
- Космическое микроволновое фоновое излучение и космологическая зависимость красного смещения считаются доказательствами Большого взрыва.
- Инфляционная космология предсказывает, что ранняя Вселенная была горячей и наполненной равномерным свечением.
- Реликтовое излучение дает представление о горячей ранней Вселенной.
-
Время последнего рассеяния
- Вселенная стала прозрачной для излучения через 380 000 лет после Большого взрыва.
- Температура Вселенной составляла около 3000 К, что соответствует энергии 0,26 эВ.
- Это событие известно как время последнего рассеяния или период рекомбинации.
-
Расширение Вселенной и реликтовое излучение
- Реликтовые фотоны смещаются в красное из-за расширения Вселенной.
- Цветовая температура реликтового излучения снижается с расширением Вселенной.
- Реликтовое излучение подтверждает модель Большого взрыва и ΛCDM.
-
Первичная анизотропия
- Анизотропия делится на первичную и вторичную.
- Первичная анизотропия обусловлена акустическими колебаниями и диффузионным демпфированием.
- Пики анизотропии содержат информацию о кривизне Вселенной и плотности барионов.
-
Бесстолкновительное затухание
- Бесстолкновительное затухание вызвано увеличением длины свободного пробега фотонов и конечной глубиной последней поверхности рассеяния.
- Функция видимости фотонов (PVF) позволяет оценить время формирования реликтового излучения.
-
Анизотропия позднего времени
- Реликтовое излучение было изменено ионизацией межгалактической среды.
- Ионизация произошла в очень ранние времена, при красном смещении около 10.
- Ионизирующее излучение могло быть вызвано звездным светом, вспышками сверхновых или аккреционными дисками черных дыр.
-
Альтернативные теории
- Стандартная космология требует точной настройки параметров.
- Альтернативные модели имеют свои проблемы и дают объяснения постфактум.
-
Поляризация
- Космический микроволновый фон поляризован на уровне нескольких микрокельвинов.
- Существуют E-режим и B-режим поляризации.
-
Электронные моды и их обнаружение
- Электронные моды возникают в результате рассеяния Томсона в гетерогенной плазме.
- Впервые обнаружены в 2002 году с помощью интерферометра DASI.
-
B-режимы и их происхождение
- B-режимы слабее E-режимов и генерируются гравитационными волнами.
- Гравитационное линзирование E-мод может приводить к поляризации B-мод.
- Для обнаружения исходного сигнала B-мод требуется анализ искажений.
-
Первичные гравитационные волны и их влияние
- Модели «замедленной» космической инфляции предсказывают первичные гравитационные волны.
- Обнаружение этих волн подтвердило бы теорию инфляции.
- Утверждения о поляризации B-моды прибором BICEP2 позже были приписаны космической пыли.
-
Гравитационное линзирование и его влияние
- Второй тип B-мод обнаружен в 2013 году с помощью телескопа POLARBEAR.
- POLARBEAR фокусируется на меньшем участке неба и менее восприимчив к пыли.
- Измеренная поляризация B-моды имеет космологическое происхождение с вероятностью 97,2%.
-
Многополюсный анализ реликтового излучения
- Угловая анизотропия реликтового излучения представлена в виде мощности на мультиполь.
- Монопольный член (θ = 0) представляет постоянную изотропную среднюю температуру.
- Дипольная анизотропия (θ = 1) интерпретируется как движение Земли относительно реликтового излучения.
- Многополюсный анализ (ℓ ≥ 2) связан с возмущениями плотности в ранней Вселенной.
-
Проблемы анализа данных
- Необработанные данные CMBR содержат эффекты переднего плана, скрывающие мелкомасштабную структуру.
- Дипольная анизотропия и другие факторы должны быть вычтены для выявления мелкомасштабной структуры.
- Детальный анализ данных сложен из-за влияния шума и источников на переднем плане.
-
Аномалии в реликтовом излучении
- WMAP и Planck зафиксировали аномалии, такие как крупномасштабные анизотропии и негауссовы распределения.
- Квадрупольный и октупольный режимы имеют необъяснимое соответствие.
- Анализ показал, что эти режимы чувствительны к загрязнению переднего плана.
-
Будущая эволюция реликтового излучения
- Космический микроволновый фон будет смещаться в сторону красного до тех пор, пока его не заменит излучение звездного света.
- В будущем его может заменить фоновое излучение процессов, таких как распад протона и испарение черных дыр.
-
История открытия космического микроволнового фона
- В 1930-х годах Эрих Регенер подсчитал, что нетепловой спектр космических лучей в галактике имеет эффективную температуру 2,8 К.
- В 1946 году Роберт Дикке предсказал излучение космической материи при температуре < 20 К.
- В 1953 году Эрвин Финли-Фрейндлих вычислил температуру абсолютно черного тела в межгалактическом пространстве, равную 2,3 К.
-
Первые измерения и наблюдения
- В 1941 году Эндрю Маккеллар обнаружил «вращательную» температуру межзвездной среды в 2,3 К.
- В 1955 году Эмиль Ле Ру сообщил о почти изотропном фоновом излучении в 3 Кельвина.
- В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон измерили температуру, которая составила приблизительно 3 К.
-
Развитие теории и экспериментов
- В 1966 году Райнер К. Сакс и Артур М. Вулф теоретически предсказали амплитуды фоновых флуктуаций микроволнового излучения.
- В 1983 году Исследователи из Кембриджской радиоастрономической группы и радиообсерватории Оуэнс–Вэлли впервые обнаружили эффект Сюняева-Зельдовича в скоплениях галактик.
- В 1990 году FIRAS на спутнике Cosmic Background Explorer (COBE) показал, что микроволновый фон имеет почти идеальный спектр черного тела при T = 2,73 К.
-
Современные исследования и открытия
- В 2002 году Поляризация, открытая ДАСИ.
- В 2003 году Поляризационный спектр в электронном режиме, полученный CBI.
- В 2006 году Опубликованы долгожданные результаты WMAP за три года.
- В 2010 году Выпущена первая карта всего неба, полученная с помощью телескопа «Планк».
-
Массовая культура и влияние
- В телесериале «Вселенная Звездных врат» древний космический корабль «Дестини» был построен для изучения закономерностей в рентгеновском излучении.
- В романе Иэна Стюарта и Джека Коэна «Уилеры» CMBR описывается как зашифрованные передачи древней цивилизации.
- В романе Лю Цысиня «Проблема трех тел» зонд инопланетной цивилизации выводит из строя приборы, контролирующие CMBR.
- В выпуске швейцарской банкноты в 20 франков за 2017 год перечислены несколько астрономических объектов, включая CMB.
- В 2021 году в сериале Marvel «WandaVision» была обнаружена таинственная телевизионная трансляция на фоне космического микроволнового излучения.
-
Памела Гей и астрономия
- Памела Гей известна своими ролями в фильмах и сериалах
- В октябре 2006 года она сыграла в фильме «Большой взрыв и космический микроволновый фон»
-
Визуализация данных CMB
- Визуализация данных CMB была получена в ходе миссии Planck
- Эти данные важны для понимания структуры и эволюции Вселенной
-
Физика и астрономия
- Фильм затрагивает темы физики и астрономии
- Включает в себя изучение звезд, космических полетов и космического пространства
-
Солнечная система
- Фильм также затрагивает тему солнечной системы