Kozmicno mikrovalovno sevanje ozadja

1
Kozmicno mikrovalovno sevanje ozadja
Astronomsko društvo Vega
Virhttp//www.nasa.gov/topics/universe/features/w
map_five.html

• predstavitev za skupino Repatice in kometi
• Gregor Vertacnik
• Ljubljana, februar 2009

2
Kazalo

• Uvod
• Zgodovina odkrivanja
• Odkritje Penziasa in Wilsona
• Pred COBE-jem
• Odkritje anizotropije, COBE
• Zadnja odkritja
• Povezava z Velikim pokom
• Primarna anizotropija

3
Uvod

• kozmicno mikrovalovno sevanje ozadja je
  elektromagnetno sevanje, ki zapolnjuje vse
  vesolje
• po teoriji velikega poka nastalo v zgodnjem
  vesolju
• sprva je bilo v mladem vesolju kratkovalovno
  sevanje ujeto v plazmi elektronov, protonov in
  barionov (Thomsonovo sipanje)
• s casom se je vesolje ohladilo, nastali so atomi,
  vesolje je postajalo prosojno
• dobrih 100.000 let dolg proces rekombinacije z
  viškom 400.000 let po velikem poku
• valovna dolžina sevanja se je povecala, danes
  vidno kot sevanje crnega telesa pri 2,7 K (vrh
  sevanja pri 1,9 mm)
• sevanje skoraj enakomerno iz vseh smeri,
  odstopanja v temperaturi reda 1/100.000
  potrjujejo napoved teorije velikega poka
• pomembno za vrednotenje kozmoloških modelov

Spekter crnega telesa v odvisnosti od
temperature. Vir http//commons.wikimedia.org/wik
i/FilePlanck_law_log_log_scale.png
4
Prikaz razvoja vesolja. Avtorske pravice
NASA/WMAP Science Team
5
Zgodovina odkrivanja

• l. 1941 je McKellar izmeril temperaturo ozadja
  (2,3 K)
• kozmicno sevanje ozadja so prvi l. 1948
  napovedali Gamow, Alpher in Herman
• prve napovedi dokaj netocne (5 K, 28 K, 50 K,
  neenakomerno sevanje)
• malo odziva na clanka o tem sevanju
• l. 1957 je Shmaonov ocenil temperaturo ozadja na
  43 K in zapisal, da je sevanje izotropno in
  casovno nespremenljivo
• Dicke in Zeldovic sta v 60. letih 20. stol.
  obudila teorijo o mikrovalovnem sevanju
• Doroškevic in Novikov sta l. 1964 v kratkem
  clanku ("Mean Density of Radiation in the
  Metagalaxy and Certain Problems in Relativistic
  Cosmology") omenila, da je sevanje ozadja možno
  izmeriti
• l. 1964 sta Wilkinson in Roll zacela sestavljati
  merilni inštrument za to sevanje

6
Odkritje Penziasa in Wilsona

• eno najvecjih astrofizikalnih odkritij 20.
  stoletja
• Arno Allan Penzias (rojen 1933), ameriški fizik
  židovskega rodu
• Robert Woodrow Wilson (rojen 1936), ameriški
  astronom
• v Bellovih laboratorijih v Holmdelu v New
  Jersey-ju, sta l. 1964 Penzias in Wilson
  eksperimentirala z zelo obcutljivo 6-metrsko
  anteno v obliki roga
• namenjena zaznavanju radijskih valov s satelitov
  Echo
• kar se da, sta zmanjšala motnje, ki bi vplivale
  na sprejemnik (ki sta ga ohladila na 4 K)

Antena. Vir http//en.wikipedia.org/wiki/Discover
y_of_cosmic_microwave_background_radiation
Penzias in Wilson. Vir http//www.bell-labs.com/p
roject/feature/archives/cosmology/
7

• kljub vsemu je pri valovni dolžini 7,35 cm
  sprejemnik zaznaval stalen šum (ponoci in
  podnevi, v vseh smereh), ki je bil 100x mocnejši,
  kot sta pricakovala
• tudi po odstranitvi golobov, ki so gnezdili na
  anteni in cišcenju, je šum ostal
• sklepala sta, da šum izvira izven Galaksije
• Bernard Burke je Penziasa obvestil o še
  neobjavljenem clanku, ki govori o sevanju, ki je
  ostalo po Velikem poku, sta se Penzias in Wilson
  zavedla odkritja
• prehitela sta skupino Dicke, Peebles, Wilkinson z
  Univerze Princeton, ki se je takrat pripravljala
  na iskanje mikrovalovnega sevanja ozadja
• L. 1978 sta odkritelja prejela Nobelovo nagrado
  za fiziko

8
Pred COBE-jem

• V 70. letih so izmerili spekter, ki ustreza
  crnemu telesu, kar je bil dokaz proti staticnemu
  vesolju (kjer bi bilo to sevanje posledica
  sipanja na oddaljenih galaksijah)
• Sunyaev je ocenil neenakomernost mladega vesolja
  na 10-4 do 10-5, sledili so neuspešni poskusi
  meritev anizotropije z Zemljinega površja
• januarja 1992 znanstveniki na Moskovskem
  astrofizikalnem seminarju razglasijo odkritje
  anizotropije na podlagi meritev satelita Relikt-1

9
Odkritje anizotropije, COBE

• COBE Cosmic Background Explorer
• prva ideja za satelit l. 1974, izstreljen
  novembra 1999
• trije inštrumenti na satelitu
• DMR (anizotropija)
• FIRAS (spekter)
• DIRBE (prah)
• 23. aprila 1992 znanstveniki predstavijo analizo
  meritev satelita COBE in izmerjeno anizotropijo v
  temperaturi sevanja
• na podlagi meritev satelita COBE (spekter,
  anizotropija) sta J. C. Mather in G. F. Smoot l.
  2006 prejela Nobelovo nagrado za fiziko

Shema satelita COBE. Vir http//en.wikipedia.org/
wiki/COBE
10
Karta mikrovalnega sevanja na podlagi meritev
COBE-ja. Vir http//en.wikipedia.org/wiki/COBE
11
Zadnja odkritja

• 1999 meritev prvega akusticnega vrha (TOCO)
• 2002 odkritje polarizacije (DASI)
• nadaljujejo se merjena v boljši locljivosti
  (DASI, WMAP, BOOMERANG, CBI), v nacrtu so novi
  projekti
• meritve WMAP so potrdile, da je vesolje
• staro okoli 13,7 milijarde let
• sestavljeno iz 4,6 navadne, 23 temne snovi,
  72 temne energije in manj kot 1 nevtrinov
• Ravno
• letos bo WMAP nadomestil Planckov satelit

Sestava vesolja danes in v casu rekombinacije
(meritve WMAP). Vir http//map.gsfc.nasa.gov/medi
a/080998/index.html
12
Povezava v Velikim pokom

• mikrovalovno sevanje ozadja je potrditev
  inflacijskega modela Velikega poka (drugi odlicen
  dokaz je kozmološki rdeci premik)
• model predvideva normalno (Gaussovo) porazdelitev
  odklonov v zacetnem vesolju velikost
  nehomogenosti je reda 10-5
• sevanje, ki ga opazujemo, prihaja s sfere, ki je
  od nas sedaj oddaljena 46 milijard sv. let

13
Primarna anizotropija

• osnovna neenakomernost v sevanju
• v teoriji vecinoma posledica dveh efektov
• akusticnih nihanj
• difuzijsko dušenje
• akusticna nihanja izvirajo iz lastnosti
  fotonsko-barionske plazme mladega vesolja
• pritisk fotonov skuša izniciti anizotropijo
• gravitacijska privlacnost barionov ustvarja goste
  haloje (skupke)
• kotna velikost prvega vrha doloca ukrivljenost
  vesolja, drugi vrh predstavlja reducirano
  barionsko gostoto, tretji vrh nudi informacijo o
  gostoti temne snovi
• lokacijah vrhov daje tudi informacijo o naravi
  prvotnih motenj v gostoti (adiabatni in
  izokurvaturni)
• v spektru lahko locimo med obema tipoma motenj,
  ker so razmerja v kotni velikosti drugacna (123
  oz. 135)
• opazovanja kažejo samo na adiabatne motnje, kar
  izloci mnogo modelov

14

• breztrkovno dušenje povzrocata dva efekta,
  potem ko se prvotna plazma neha obnašati kot
  tekocina
• Narašcajoca prosta pot fotonov v vse redkejši
  prvotni plazmi zaradi širjenja vesolja
• Koncna debelina sloja zadnjega sipanja, kar
  povzroci nenadno podaljšanje prosti poti v
  procesu decoupling
• oba efekta približno enako mocno prispevata k
  dušenju anizotropije na majhnih skalah
• iz meritev mikrovalovnega sevanja (že v 70.
  letih) je razvidno, da se naša lokalna jata
  galaksija giblje s hitrostjo okoli 630 km/s glede
  na referencno ozadnje mikrovalovnega sevanja v
  smeri približno (276, 30)
• zaradi tega relativnega gibanja je mikrovalovno
  sevanje nekoliko toplejše v smeri gibanja, kot
  v nasprotni smeri

15
Viri in literatura

• http//en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_back
  ground_radiation
• http//en.wikipedia.org/wiki/Big_BangCosmic_micro
  wave_background_radiation
• http//en.wikipedia.org/wiki/Discovery_of_cosmic_m
  icrowave_background_radiation
• http//en.wikipedia.org/wiki/COBE
• http//en.wikipedia.org/wiki/Wilkinson_Microwave_A
  nisotropy_Probe
• http//www.astro.ubc.ca/people/scott/cmb_intro.htm
  l