Arkaplan radyasyonu

WMAP uzay sondası tarafından kaydedilen arka plan radyasyonundaki sıcaklık dalgalanmaları (görev 2001–2010)
COBE uydusu tarafından kaydedilen arka plan radyasyonundaki sıcaklık dalgalanmaları (görev 1989–1993)

Arka plan radyasyonu , daha çok kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu , İngiliz kozmik mikrodalga arka planı (CMB) , düşük sıcaklık ve enerji yoğunluğu ve üç Kelvin radyasyon adı verilen nedeniyle, kısa bir süre sonra mikrodalga aralığında neredeyse izotropik radyasyonu karşılayan bütün bir evrendir. Büyük Patlama ortaya çıktı. Büyük patlama teorisinin ( standart model ) kanıtı olarak kabul edildiğinden, fiziksel kozmoloji için olağanüstü bir öneme sahiptir .

Kozmik fon radyasyonu, kozmik radyasyonla karıştırılmamalıdır .

teori

Big Bang'den sonra, radyasyon ve madde başlangıçta termal dengedeydi . Evrenin genişlemesinin bir sonucu olarak, birleşen radyasyon-madde-karışımının sıcaklığı ve yoğunluğu zamanla azaldı. Sonuçta, yaklaşık 380.000 yıl sonra, yaklaşık 3000 Kelvin sıcaklıkta  , protonlar ve elektronlar, fizikte rekombinasyon olarak bilinen elektriksel olarak nötr hidrojeni oluşturabildiler . Serbest elektronlar ve protonlar artık eksik olduğundan radyasyon artık olabilir etkileşim madde ile nedeniyle Thomson saçılması ait fotonlar - evren "saydam" hale geldi. Kozmik mikrodalga radyasyonu bu zamandan, rekombinasyon çağından kaynaklanır. Yaratıldığı sırada görünür spektrumda yayınlandı.

Uzay-zamanın genişlemesinin neden olduğu evrenin daha da genişlemesi , mevcut fotonların dalga boyunun genişlemesi , yani kırmızıya kayma . Bu nedenle bugün bu fotonları mikrodalga aralığında kozmik arka plan radyasyonu olarak gözlemliyoruz. Normal ölçeklerde gökyüzünün her yönünde kabaca tekdüzedir ve galaksiler gibi bireysel kaynakların üst üste bindirilmesiyle oluşturulmamıştır .

Rekombinasyondan önceki termal dengenin bir sonucu olarak, radyasyon, bugün 2,725 (± 0,002) Kelvin sıcaklıkta siyah bir cismin ( kara cisim ışıması olarak da adlandırılır) neredeyse mükemmel yoğunluk spektrumuna sahiptir.

Kozmolojik model hesaplaması göre, fon radyasyon kırmızıya kayma olan z  = 1089 ± 0.1, ve her santimetre küp vakum alanı arka plan radyasyon 400 foton ortalama içerir.

Tarih

Boynuz "dan anten Bell Labs' in" Holmdel , New Jersey  , 1964 yılında tahmin edilen mikrodalga radyasyon bir müdahale sinyali olarak kabul edildi (ABD),

Galaksiler arası uzaydan 2,8 K ile radyasyon, 1933 gibi erken bir tarihte Erich Regener tarafından tahmin edildi .

Büyük patlamanın bir sonucu olarak, yalnızca 1940'larda George Gamow , Ralph Alpher ve Robert Herman tarafından daha yüksek değerlerle varsayıldı. Keşif, 1964 yılında Arno Penzias ve Robert Woodrow Wilson tarafından yapay dünya uydularıyla deneyler için inşa edilmiş yeni bir hassas anteni test ederken tesadüfen gerçekleşti . Penzias ve Wilson'ın sonuçlarını yayınladıkları Astrophysical Journal'ın aynı sayısında Robert Henry Dicke ve ark. Keşif zaten kozmik kara cisim ışıması olarak, Penzias ve Wilson'ın onları öngördüğü benzer bir deneyin (diğer dalga boylarında) hazırlanacağını duyurdukları bir çalışmada. Penzias ve Wilson, bu keşif için 1978 Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar .

Andrew McKellar , daha 1940/1941 gibi erken bir tarihte Mount Wilson Gözlemevi'nde yıldızlararası ortamdaki CN moleküllerinin dönüş spektrumunun sıcaklığını belirleyerek arka plan radyasyonunun kanıtını buldu . Onun keşfi , Gerhard Herzberg'in iyi bilinen Spectra of diatomik moleküller (1950) adlı ders kitabına bile girdi , ancak ikisi de keşfin kapsamını anlamadı.

1964'te A. Doroshkevich ve Igor Dmitrijewitsch Novikow da SSCB'deki kalıntı radyasyonu gözlemlemek için bir teklifte bulundular .

Ölçümler

(Bir fonksiyonu olarak yoğunluk COBE uydusu tarafından ölçülen spektrumu dalga sayısı kozmik fon ışınımının), bir Planck spektrumu sıcaklık ile , T = 2.725 K. ve hata çubukları veri noktaları a görüntülenecek çok küçük ekranda, ölçüm noktalarını görünür kılmak için çok daha büyük hata çubukları yerleştirildi. Maksimum, yaklaşık 150 GHz'lik bir frekansa karşılık gelen yaklaşık 2 mm'lik bir dalga  boyundadır .

Penzias ve Wilson'ın deneylerinde, ölçümler yalnızca bir frekansta yapıldı , bu nedenle sonraki yıllarda diğer frekanslarda daha fazla ölçüm yapıldı. Bu, radyasyonun aslında kara cisim radyasyonu olduğunu doğruladı . Bu tür radyasyon, resimde gösterilen tipik çan şeklindeki yoğunluk eğrisine sahiptir. Atmosferik absorpsiyon nedeniyle mikrodalga aralığında dünya tabanlı gözlem olanakları sınırlı olduğundan, uydu görevi COBE başlatıldı.

  • Gürültü voltajı, son derece hassas mikrodalga alıcılar kullanılarak , mümkün olduğu kadar çok yönden, mümkün olduğu kadar çok frekansta ölçülmüştür.
  • Geniş frekans bandı nedeniyle, farklı antenler ve alıcılar kullanılması gerekiyordu. Bu nedenle, normalleştirmeler ve mutlak alım gücüne dönüşümler gerekliydi.
  • Amaç, yalnızca zayıf arka plan radyasyonu hakkında veri elde etmekti . Bu nedenle, Yengeç Bulutsusu veya diğer süpernova kalıntıları gibi bilinen ve bazen çok yoğun ön plan kaynaklarının radyasyon davranışının tüm frekanslar için modellenmesi ve çıkarılması gerekiyordu.
  • Kalan ölçülen değerler çarpıcı bir dipol modeli gösterir: çok özel bir yönden (güneş sisteminin Samanyolu'ndaki mevcut dönüş yönünün kabaca tersi) radyasyonun maksimumu, ters yönde açıkça maviye kaydırılır kırmızıya kayar ( Doppler etkisi ). Bu, güneş sistemimizin radyasyonun izotropik olduğu bir referans sistemine kıyasla yaklaşık 369 km/s hızla hareket etmesiyle açıklanmaktadır .
  • Bu dipol deseni çıkarılır ve birkaç kez değiştirilen ölçülen değerler dalga boyunun bir fonksiyonu olarak çizilir (sağdaki resme bakın).
  • Planck radyasyon yasası formülü ile farklı sıcaklıklar için model eğrileri hesaplanmış ve aynı diyagramda çizilmiştir.
  • 2.725 K için model eğrisi , ölçüm noktalarına en iyi uyan eğridir ( hatanın en küçük kareleri anlamında ).

anizotropi

Kozmik fon radyasyonunun sıcaklık dalgalanmalarının güç spektrumu

Mikrodalga arka planının sıcaklığı tüm gökyüzü üzerinde çok homojendir ( izotropik ). Gözlem yönüne en güçlü bağımlılık sadece yaklaşık %0,1'dir ve Samanyolu'nun (ve dolayısıyla Dünya'nın) mikrodalga arka planına göre hareketinden dolayı ortaya çıkar:

  • Hareket yönünden gelen fotonlar, Doppler etkisi nedeniyle maviye kayar, arka plan radyasyonunun sıcaklığı bu yönde artar.
  • Ters yönden gelen fotonlar buna bağlı olarak kırmızıya kayar, arka plan radyasyonu daha soğuk görünür.

Bu , sıcaklık dağılımının bir dipol anizotropisi ile sonuçlanır . Astronomide yaygın olarak kullanılan bu yöntemle, arka plan ışımasına göre uzaydaki doğru hareketi de belirlemek mümkündür.

Daha küçük açı ölçeklerinde sıcaklık dalgalanmaları şu şekilde ayrılabilir:

  • Birincil anizotropiler : Radyasyonun üretildiği anda yürürlükte olan etkilere bağlı anizotropiler. En önemlileri:
    • Sachs-Wolfe Etkisi : Radyasyon çok yoğun bölgelerden dışarı kaçmasını uğrar yerçekimi kırmızıya kayma gelen yönde zemin radyasyonu biraz daha düşük bir sıcaklığa sahiptir, bu; öte yandan, bu etki, yerçekiminin bir zaman genişlemesine yol açması gerçeğiyle kısmen telafi edilir . Bu nedenle, daha yoğun bölgelerin fotonları, evrenin daha da sıcak olduğu biraz daha erken bir zamandan gelir. Her iki etki de Sachs-Wolfe etkisi ile birlikte tanımlanır.
    • Erken evrendeki yoğunluk dalgalanmaları tuhaf hızlara yol açar . Bunlar, uzayın genişleme hızına ek olarak meydana gelen maddenin hızlarıdır . Fotonlar olan elektronlar için dağılım son nedenle yoğunluğuna bağlı olup ek bir hız bileşeni vardır.
    • Küçük bir alanda baryon yoğunluğu artırılırsa, baryonlar adyabatik olarak sıkıştırılır ve dolayısıyla daha sıcak olur. Baryonlar fotonlarla termal dengede olduğundan, fotonlar da enerji bakımından zenginleşir.
  • İkincil anizotropiler: Daha sonra fotonların uzayda yol almasıyla ortaya çıkan etkilere bağlı anizotropiler. Bunlar özellikle şunları içerir:
    • Evrende fotonların saçılabileceği serbest elektronlar vardır . Yana Thomson saçılması olduğu ölçüde izotropik, fotonun yönü sonra saçılması onun yönünden büyük ölçüde bağımsızdır önce saçılım. Saçılan fotonlar artık SPK'daki dalgalanmalar hakkında herhangi bir bilgi taşımamaktadır . Sonuç olarak, anizotropiler kısmen yıkanır.
    • Evrenden geçerken, fotonlar evrenin yapılarındaki bir dizi potansiyel kuyudan geçerler (örneğin galaksiler , galaksi kümeleri vb . yoluyla ). Her zaman bir yerçekimi mavi kayması ve ardından tekrar kırmızı bir kayma alırlar . Evrenin toplam yerçekimi potansiyeli zamanla değiştiği için etkiler birbirini tamamen ortadan kaldırmaz. Bu, Entegre Sachs-Wolfe Etkisi olarak bilinir .
    • Ayrıca fotonlar potansiyel kuyulardan geçerken yön değiştirirler. Fotonları gözlemlediğimiz açı, rekombinasyon anındaki konumlarına tam olarak karşılık gelmez - bu, küçük açı ölçeklerinde anizotropileri bulaştırır.
    • Fotonlar, gökada kümelerinin sıcak gazının elektronları üzerine saçılabilir. Bu Compton saçılması , fotonların enerjisini ve frekansını ortalama olarak biraz artırır . Bu, Planck spektrumuna göre yüksek frekanslı fotonların sayısını artırırken, düşük frekanslı fotonların sayısı azalır. Buna Sunjajew-Seldowitsch etkisi denir .

Rekombinasyon sırasındaki yoğunluk dağılımının istatistiksel özellikleri - ve dolayısıyla birincil anizotropiler - daha az kozmolojik parametrelerin bir fonksiyonu olarak göreli kozmoloji çerçevesinde tam olarak modellenebilir. İkincil anizotropiler ya hesaplanabilir ya da modellemede dikkate alınabilir. Bu nedenle - kozmolojik parametrelere bağlı olarak - sıcaklık dağılımı, özellikle açısal güç spektrumu hakkında tahminler yapılabilir (şekle bakınız). Bunu ölçülen açısal güç spektrumu ile karşılaştırırsanız, kozmolojik parametreleri belirleyebilirsiniz.

1993 yılında COBE uydusu tarafından daha küçük alanlardaki bu küçük sıcaklık dalgalanmalarının (yaklaşık %0,001) keşfi , erken Evrenin gözlemlenmesinde bir atılımdı. Bu dalgalanmaların gücünün ölçümü, maddenin yeniden birleştirme sırasında son derece homojen bir şekilde dağıldığını açıkça ortaya koydu . Yere dayalı deneyler, balon teleskoplar ve özellikle uzay sondaları WMAP ve Planck yoluyla yapılan daha ileri araştırmalar , bu sıcaklık dalgalanmalarının gücünü, gökyüzündeki açısal boyutlarının bir fonksiyonu olarak çok daha iyi tanımladı. Mikrodalga arka planının ölçülen özelliklerinin teorik tahminlerle iyi bir şekilde uyuşması, Big Bang teorisinin geçerli olduğuna dair mükemmel bir kanıttır. Bu teorinin parametrelerinin ölçümü lambda CDM modelini destekler .

Ağustos 2009'dan Şubat 2012'ye kadar, Avrupa Planck uzay sondası radyasyonu üç kat daha yüksek çözünürlükle ölçtü ve girişim yapan radyasyonu daha iyi bastırdı. Sıcaklık dalgalanmaları şu anda kozmolojide ve erken evrendeki yapıların oluşumuna ilişkin teorilerde en önemli ölçülen değişkenlerden biridir .

Yeni sorular

Kozmik mikrodalga arka planının ölçülen özellikleri ile teorik tahminler arasındaki genel olarak mükemmel anlaşmaya rağmen, verilerin tam olarak anlaşılmayan ve devam eden tartışmalara yol açan bazı yönleri vardır.

Bu nedenle, sıcaklığın açısal dağılımındaki en düşük anlardan bazıları tahmin edilenden daha düşüktür. Arka plan radyasyonunun ölçülen uç değerleri , ölçüm yanlışlıklar kapsamında hareket eden dikeyden sapma ile güneş sisteminin ekliptiğine neredeyse dik çalışır . Ayrıca kuzeyde maksimum olmak üzere net bir kuzey-güney asimetrisi vardır. Bu şaşırtıcı. Kozmolojinin standart modeli genel olarak hizmet ayırt edici mekansal yönünü bilmiyor. Bu nedenle, tüm uzaysal yönlerden gelen kozmik arka plan radyasyonu ortalama olarak eşit derecede güçlü olmalıdır.

Ayrıca, arka plan radyasyonunun sıcaklığının ortalamadan önemli ölçüde düşük olduğu yaklaşık 5 ° çapında CMB Soğuk Nokta adı verilen bir bölge vardır . Bu SPK soğuk noktası genellikle özellikle büyük, özellikle boş bir alanın görüntüsü olarak yorumlanır . Bu doğrultuda gözlemlenecek olan galaksilerin üç boyutlu bir haritası aracılığıyla bu boş uzay doğrudan tespit edilmeye çalışıldı. Farklı araştırma grupları zıt sonuçlara ulaştı. 2016 yılında yapılan bir çalışma, söz konusu gökyüzü bölgesinde bir boşluğu doğrulamaktadır. Ancak 2017'de yapılan bir araştırma, gözlemlenebilir gökadaların dağılımında SPK Soğuk Nokta ile uyumlu bir mekansal yapının olmadığı sonucuna varıyor.

WMAP görevinin sonuçlarında zaten görülebilen arka plan radyasyonunun beklenen dağılımından bu sapmalar, Planck ile daha yüksek çözünürlük ve doğrulukta yapılan ölçümlerle doğrulandı .

Çeşitli işbirlikleri, ölçülen arka plan radyasyonunun ince dağılımında , evrenin ilk günlerinden kalma şişme ve yerçekimi dalgalarının göstergelerini arıyor . BICEP2 dedektöründen alınan ölçümlere dayanan bir ilk rapor , 2014 yılında medyanın ilgisini çekti. Ancak bir yıl sonra aynı yazarlar, izotropiden sapmaların Samanyolu'ndan gelen tozun bir sonucu olarak açıklanabileceği sonucuna vardılar .

Edebiyat

  • Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Gökbilimciler yaratılış kitabının şifresini çözüyor. İçinde: Zamanımızda Fizik . Wiley 33.2002,3, ISSN  0031-9252 , s. 114-120.
  • GD Starkman, DJ Schwarz: evrendeki uyumsuzluklar. İçinde: Bilim Spektrumu . Heidelberg 2005, 12, ISSN  0170-2971 , s.30 ff.
  • Marc Lachièze-Rey, Edgard Gunzig: Kozmolojik arka plan radyasyonu. Cambridge Üniv. Press, Cambridge 1999, ISBN 0-521-57437-4 .

İnternet linkleri

Commons : Kozmik Arkaplan Radyasyonu  - Görüntüler, videolar ve ses dosyalarının toplanması

Bireysel kanıt

  1. ↑ a b CL Bennett, M. Halpern, G. Hinshaw, N. Jarosik, A. Kogut, M. Limon, SS Meyer, L. Page, DN Spergel, GS Tucker, E. Wollack, EL Wright, C. Barnes, MR Greason, RS Hill, E. Komatsu, MR Nolta, N. Odegard, HV Peirs, L. Verde, JL Weiland: Birinci Yıl Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Sondası (WMAP) Gözlemler: Ön Haritalar ve Temel Sonuçlar . İçinde: Astrofiler. J. Ek Hacmi 148 , 2003, s. 1–27 , doi : 10.1086 / 377253 , arxiv : astro-ph / 0302207 .
  2. ↑ Kenneth R. Lang: Astronomi ve Astrofizik için Bir Yoldaş. Veri Tabloları ile Kronoloji ve Sözlük. Springer, 2006, s. 242.
  3. ↑ E. Rejenerasyon: Ultra radyasyonun enerji akışı. (PDF; 166 kB, PDF). Adres : wolff.ch. İçinde: Fizik Dergisi. 80, 9-10, 1933, s. 666-669.
    Daha fazla tarih için bkz. z. BAKT Assis, MCD Neves: Penzias ve Wilson'dan Önce 2.7 K Sıcaklık Tarihi. (PDF; 94.4 kB).
  4. ↑ Arno Penzias: Elementlerin Kökeni, Nobel Anlatımı ( İngilizce ) Nobel Vakfı. 8 Aralık 1978. Erişim tarihi: 11 Aralık 2009.
  5. ^ Robert Woodrow Wilson: The Cosmic Microwave Background adiation, Nobel Lecture ( İngilizce ) Nobel Foundation. 8 Aralık 1978. Erişim tarihi: 11 Aralık 2009.
  6. ↑ McKellar: Yayın Astron. Soc. Pacific, Cilt 52, 1940, sayfa 187, Cilt 53, 1941, sayfa 233, Yayın Dom. Astrofiler. Gözlem., Cilt 7, 1941, No. 15, s. 251.
  7. ↑ Orada s. 496. O şunu yazdı: "K = 0 ve K = 1 olan CN çizgilerinin yoğunluk oranından 2.3 K'lik bir dönme sıcaklığı çıkıyor, ki bu elbette sadece çok sınırlı bir anlama sahip."
  8. ^ Paul A. Feldman: Kanadalı Perspektiften Yıldızlararası Moleküller. Bölüm I: İlk Yıllar.
  9. ↑ Doroshkevich, Novikov. İçinde: Doklady Akad.Nauka SSCB. Cilt 154, 1964, s. 809. Hikaye ayrıca Igor Novikow, Dmitri Novikow ve Pavel Naselsky tarafından Physics of the Cosmic Microwave Background, Cambridge University Press 2006'da tartışılıyor, özellikle Penzias'ın Nobel Konferansı'nda yayınlanan görüşü reddediyorlar. Yazıda, 1961'de yayınlanan Ohm ölçümlerine dayanarak SPK hariç tutulacaktı.
  10. ↑ FIRAS ekibinden orijinal veriler.
  11. ↑ Fixsen ve diğerleri .: Tam COBE FIRAS Veri Kümelerinden Kozmik Mikrodalga Arka Plan Spektrumu. Astrofizik Dergisi, 473, 576, 1996.
  12. ↑ G. Hinshaw ve diğerleri .: Beş Yıllık Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Probu (WMAP) Gözlemleri: Veri İşleme, Gökyüzü Haritaları ve Temel Sonuçlar . İçinde: Astrofizik Dergisi Ek Serisi . bant 180 , 17 Ekim 2008, s. 225–245 , doi : 10.1088 / 0067-0049 / 180/2/225 , arxiv : 0803.0732 .
  13. ↑ a b c d e f Peter Schneider: Galaksi dışı astronomi ve kozmoloji. Springer, 2008.
  14. ↑ 6 Şubat 2012'de erişilen ESA basın açıklaması .
  15. ↑ Fizik Dünyası. Erişim tarihi: 6 Şubat 2012.
  16. ^ A. de Oliveira-Costa, diğerleri arasında: WMAP'deki en büyük ölçekli SPK dalgalanmalarının önemi . İçinde: Fiziksel İnceleme D . 69, 2004, s.063516. arxiv : astro-ph / 0307282 . doi : 10.1103 / PhysRevD.69.063516 .
  17. ↑ DJ Schwarz, diğerlerinin yanı sıra: Düşük l mikrodalga arka plan kozmik mi? . İçinde: Fiziksel İnceleme Mektupları . 93, 2004, sayfa 221301. arxiv : astro-ph / 0403353 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.93.21301 .
  18. ↑ P. Bielewicz, KM Gorski, AJ Banday: WMAP'den türetilen SPK anizotropisinin düşük dereceli çok kutuplu haritaları . İçinde: Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri . 355, 2004, sayfa 1283. arxiv : astro-ph / 0405007 . doi : 10.1111 / j.1365-2966.2004.08405.x .
  19. ↑ O. Preuss, H. Dittus, C. Lämmerzahl: Yıldızlar ve Uzay. Nisan 2007, sayfa 34.
  20. ↑ Nadatur Seshadri, Robert Crittenden: Eşleştirilmiş bir filtre yaklaşımı kullanarak kozmik üst yapıların entegre Sachs-Wolfe damgasının tespiti . İçinde: Astrofizik Dergisi . 830, No. 2016, 2016, s. L19. arxiv : 1608.08638 . bibcode : 2016ApJ ... 830L..19N . doi : 10.3847 / 2041-8205 / 830/1 / L19 .
  21. ↑ Ruari Mackenzie: SPK soğuk noktasına neden olan bir denetim boşluğuna karşı kanıt . İçinde: Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri . 470, No. 2, 2017, s. 2328-2338. arxiv : 1704.03814 . bibcode : 2017MNRAS.470.2328M . doi : 10.1093/mnras/stx931 . "Başka bir açıklama, Soğuk Nokta'nın, Evrenimiz ile başka bir 'kabarcık' evren arasındaki erken şişirme evresindeki bir çarpışmanın kalıntısı olması olabilir (Chang et al. 2009, Larjo & Levi 2010).
  22. ^ ESA: Planck Published Papers. 21 Mart 2013, Erişim Tarihi: 23 Aralık 2016 .
  23. ↑ Personel: BICEP2 2014 Sonuç Açıklaması . 17 Mart 2014. Erişim tarihi: 18 Mart 2014.
  24. ↑ Ron Cowen: Yerçekimi dalgaları keşfi artık resmen öldü . İçinde: doğa , 30 Ocak 2015.