Първоначално в http://www.astro.ubc.ca/people/scott/cmb_intro.html. Отиди на главната страница.

Космология е изучаването на началото и еволюцията на Вселената.

Големият взрив

Сега е общоприето, сред астрономите, така и физици, така че Вселената е била създадена преди около 10-20000000000 години в Левиатан експлозия, наречена “Големият взрив”. Точният характер на първоначалния случай все още е повод за много спекулации, и това е справедливо да се каже, че ние знаем малко, ако нещо за първия миг на сътворението. Въпреки това ние знаем, че Вселената се използва, за да бъде изключително горещо и по-гъста, отколкото е днес. Разширяване и охлаждане след това катаклизъм на Големия взрив, довел до производството на всички физически съдържанието на Вселената, която виждаме днес. А именно: светло под формата на “фотони”; материя във формата на “лептони” (електрони, позитрони, мюони) и “бариони” (протони, антипротони, неутрони); повече езотерични частици като “неутрино” и може би някои екзотични “тъмна материя” частици; и последващото формулиране на първата химични елементи на Вселената.
Концепцията за Големия взрив не е бил непосредствено очевидна за астрофизици, а по-скоро е нараснал от стабилно натрупване на доказателства, събрани както от теоретична и наблюдателни изследвания в хода на 20-ти век. Широка гама от теории, които се опитват да обяснят произхода на Вселената в крайна сметка бяха дискредитирани и заменен от хипотезата на основава на следните критични съображения:

  • сегашната икономическа експанзия, или Хъбъл поток на Вселената.
  • наблюдаваните хелий и деутерий.
  • космическото фоново лъчение.
  • космологичните решения на уравненията на Айнщайн.
  • споразумение между различни независими оценки за възрастта на Вселената.

Космическото микровълново фоново лъчение

Може би най-убедителни (и със сигурност сред най-внимателно разгледа) парче на доказателства за Големия взрив, е съществуването на изотропно излъчване баня, която прониква цялата Вселена, известен като “космическия микровълнов фон” (СУП). Думата “изотропна” означава същото във всички посоки; степента на анизотропия на СУП е около едно на хиляда. През 1965 г. двама млади радио астрономи, Арно Пензиас и Робърт Уилсън, почти случайно открили СУП с помощта на малка, добре калибриран антена рог. Скоро Установено е, че радиацията е дифузна, излъчваше от всички посоки на небето, и имаше температура от приблизително 2,7 келвина (т.е. 2,7 градуса над абсолютната нула). Първоначално, те не може да намери задоволително обяснение за своите наблюдения, и предвид възможността, че техният сигнал може да се дължи на някакъв неопределен системно шум. Те дори обмисля възможността, че тя се дължи на “бял диелектричен вещество” (т.е. гълъби тор) в рог!
Въпреки това, той веднага дойде до знанието им чрез Робърт Дике и Джим Пийбълс на Принстън, че това фоново лъчение, всъщност е бил прогнозира години по-рано от Джордж Гамов като реликва на еволюцията на ранната Вселена. Това фона на микровълните е в действителност охлажда остатък от първичната огнена топка – ехо от Големия взрив.

Ако Вселената някога е била много гореща и плътна, фотоните и барионите биха формирали плазма, т.е. газ от йонизиран въпрос, свързан с излъчването чрез постоянно разсейване на фотони на разстояние йони и електрони. Тъй като Вселената се разширява и охлажда дойде един момент, когато радиацията (фотони), отделени от въпроса – това се е случило около няколкостотин хиляди години след Големия взрив. Това лъчение охлажда и сега е на 2,7 келвина. Фактът, че спектърът (виж фигурата) на радиацията е почти точно, че на “черно тяло” (а физиците начин за описване перфектен радиатор) означава, че той не би могъл да има своя произход чрез всички прозаични средства. Това доведе до смъртта на стационарно състояние теорията за пример. В действителност CMB спектър е черно тяло-добри от 1% точност в продължение на повече от един фактор от 1000 в дължина на вълната. Това е много по-точен черно тяло от която можем да направим в лабораторията!

В началото на 1970 стана ясно, че небето CMB е горещо в една посока и охладител в обратна посока, с тази разлика, температурата се няколко мК (или около 0.1% от общата температура). Моделът на тази температура вариация на небето е известен като “дипол”, и е точно това, което се очаква, ако се движат през фон радиация с висока скорост в посока на горещите части. Изводът е, че цялата ни местна група от галактики се движат в определена посока при около 600 км / сек. В посока ние се движим на дължини на вълните на радиацията са смачкани заедно (синьо-смяна), което небето се появи по-горещо там, а в обратната посока на дължини на вълните се протегнаха (червено отместване), което небето се появи по-студено там. Когато този дипол модел, поради нашето движение, се отстранява, небето CMB изглежда невероятно изотропно. По-нататъшни разследвания, включително и по-нови такива по сателита COBE (например Смут . Др.), Потвърдиха виртуална изотропия на СУП по-добре от една част на десет хиляди.

Карта на небето при микровълнови честоти, които показват, че СУП е почти напълно еднакви във всички посоки.

Като се има предвид това ниво на изотропия, заедно с точна черно тяло спектър, всеки опит да се интерпретират произхода на СУП като трябва да представи астрофизически явления (т.е. звездите, прах, радио галактики и т.н.) вече не е надеждна. Следователно, единственото задоволително обяснение за съществуването на СУП се крие във физиката на ранната Вселена.

П. Тъмните векове

Възрастта на Вселената е около 10-20000000000 години. В ранната Вселена е била толкова гореща и плътна, че тя беше като условията в ускорител на частици или от ядрен реактор. Тъй като Вселената разширява това се охлажда, така че средната енергия на неговите съставни частици намалява с времето. Всички високата енергийна частица и ядрена физика е над през първите 3 минути (виж книгата на това име, написана от Стивън Уайнбърг през 1977 г.). По това време всички основни съставни елементи на Вселената са се образували, включително леки елементи и радиацията.

Смята се, че малко забележително не е станало за следващите 300 хиляди години, или така. Този период понякога се нарича като “тъмните векове” на Вселената. Един от начините да се запознаят с физически процеси, които биха могли да настъпят в тези времена е да се търси за незначителни отклонения от черно тяло, в спектъра на СУП. Една инжекция на енергия, например чрез разлагащото екзотична частица, би могло да наруши спектъра малко далеч от характерната форма на абсолютно черно тяло. Засега няма такива изкривявания са били намерени, така че ние нямаме причина да вярваме, че нещо особено вълнуващо се случи през това време.

Най-важното нещо, което се е случило на около триста хиляди години след Големия взрив е, че Вселената се е охладила достатъчно за атомите, за да станат неутрални. Преди това време всички на протоните и електроните е съществувал като свободни йони, които се движат наоколо в плазмата. Всеки път, когато един протон грабна един електрон би се от фотон с достатъчно висока енергия, за да се откъснете ги един от друг отново. Само след около няколкостотин хиляди години е средната температура е достатъчно ниска, че протоните могат да държат върху своите електрони, за да образуват неутрални водородни атоми. Този период се нарича епохата на “рекомбинация” (по принцип, когато атомите стават неутрални, след като е йонизиран говорим за тях рекомбинирането – тук, в действителност йоните и електроните се съчетават за първи път, така че може би трябва да се нарича “комбинация “!).

Когато Вселената е йонизиран, въпросът е бил постоянно взаимодействие с радиацията, т.е. фотоните са непрекъснато бяха разпръснати от йони и електрони. Поглеждайки назад в СУП виждаме на повърхността на “последната разсейване”, когато фотоните миналата значително взаимодействали с въпроса. В по-ранни времена Вселената е непрозрачен, и така ние не виждаме още по-назад от епохата на рекомбинация. Между последния разсейване и днес Вселената е почти напълно прозрачен. Така че, когато се вгледаме в СУП ние виждаме, във всяка посока, до когато радиацията миналата разпръснати. Това означава, че са ефективно виждат назад във времето до няколкостотин хиляди години след Големия взрив.

След Вселената рекомбинират, на звезди, галактики и купове от галактики са започнали да се формират. Ние знаем малко по-подробно за този процес, до голяма степен, защото това е един много сложен физически процес. Един от най-големите неясноти се осмислили “семената”, от която растяха галактиките и другите структури. Всичко, което виждаме с оптични телескопи (или телескопи в друга дължина на вълната) ни разказва за обекти, които са съществували през последните 10 милиарда година или така. Тя става все по-трудно да се вникне условия във Вселената по-ранни времена.

Детайлни наблюдения на КМЛ дават точно онзи вид информация, необходима, за да атакува повечето от големите космологични загадки на нашия ден. Като гледам за малки вълнички в температурата на микровълновото небе можем да научим за колебанията на семена, каквито са били 300 хиляди години след Големия взрив, както и добре преди галактики е започнал да се формира. Можем също така да научат това, което Вселената като цяло беше като тогава: дали е отворен или затворен; каква е основната форма на тъмна материя е; и как Вселената се разширява, тъй като това време. Чрез внимателно изследване на космическото микровълново фоново можем да изследваме най-космологичните Тъмните векове.

Температурни колебания

Докато СУП се очаква да бъде много гладка, липсата на функции, които не може да бъде съвършен. В известна степен един очаква да нередности или анизотропиите, в температурата на радиация.
Тези температурни колебания са отпечатъците от много малки нередности, които с течение на времето са се увеличили да се превърне в галактики и купове от галактики, които виждаме днес.

Leave a Comment