Как космическое микроволновое фоновое излучение — остаточное свечение от Большого взрыва — продолжает проливать свет на рождение нашей Вселенной 
Объявление результатов BICEP2, которые показали первые доказательства того, что гравитационные волны могли появиться в ранней Вселенной, подогрело интерес к космологии среди ученых и других людей.
Гравитационные волны могут определенным образом поляризовать реликтовое излучение, остаточное свечение от Большого взрыва, и именно сигнал поляризации был обнаружен BICEP2, расположенным на Южном полюсе.
Но самые последние данные получены с телескопа «Планк», и, судя по ним, большую часть результатов BICEP2 можно объяснить не гравитационными волнами, а близлежащей пылью, заслоняющей наблюдаемое нами реликтовое излучение.
Нам нужно дождаться дополнительных данных, как от сотрудничества BICEP2-Planck, так и от других экспериментов, чтобы определить, какая часть данных, приписываемых гравитационным волнам, состоит из космической пыли.
Ясно одно: научные блоги и новостные сайты будут следить за новыми открытиями.
Этот текст – попытка помочь авторам будущих статей о новых исследованиях в космологии реликтового излучения войти в контекст, начиная с основ реликтового излучения, того, как оно сформировалось и что оно может нам рассказать.
Основной темой статьи будет интенсивность реликтового излучения (мы называем его температурой), а в следующей статье я подробнее расскажу о поляризации.
История Первое открытие KMFI в 1964 году произошло случайно.
Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали над экспериментом в Bell Labs, в котором надувные шары использовались в качестве отражателей для передачи микроволновой связи между двумя точками.
Для этого им нужно было знать, повлияет ли какой-либо фоновый шум на их измерения.
Они обработали почти весь шум, кроме одного: однородного микроволнового излучения при 2,73 К, которое, как оказалось, появилось через 380 000 лет после Большого взрыва.
С момента его открытия (за которое ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году) несколько экспериментов на Земле и в космосе позволили измерить реликтовое излучение со все большей точностью.
В 1992 году эксперимент Cosmic Background Explorer (CoBE) сделал первые наблюдения неравномерностей излучения — небольших изменений температуры, в 100 000 раз меньших, чем средняя фоновая температура 2,73 К.
Затем зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) расширил наши знания о неравномерностях.
температуры в 2003 году, а в 2013 году Планк произвел наиболее точные измерения на сегодняшний день.
Новые эксперименты не только повышают точность измерений температуры, но и уменьшают угловой размер ошибок.
Что такое КМФИ?
До образования реликтового излучения обычными компонентами Вселенной были свет (фотоны), ядра водорода и гелия, а также свободные электроны.
(Да, были еще нейтрино и темная материя, но о них в другой раз).
Поскольку свободные электроны заряжены отрицательно, они взаимодействуют с фотонами в результате так называемого томсоновского рассеяния.
Если пути фотона и электрона пересекаются, они отскакивают друг от друга, как бильярдные шары.
В то время фотоны обладали очень высокой энергией, а средняя температура Вселенной составляла более 3000 К.
Эта температура удерживала электроны в свободном состоянии, поскольку энергия фотонов превышала энергию ионизации атомов: энергию, необходимую для того, чтобы выбить электрон из атома.
Вместо того чтобы оставаться прикрепленными к положительно заряженным ядрам водорода и гелия, электроны почти сразу же выбивались фотонами.
Эти два эффекта: фотоны, ионизующие атомы, и фотоны, взаимодействующие с электронами, имеют важные последствия.
Высокая частота взаимодействий означает, что фотон не улетит далеко, прежде чем снова столкнется с электроном и изменит направление.
Представьте себе, что вы едете в густом тумане, когда фары идущего впереди автомобиля невидимы, поскольку свет рассеивается молекулами воды.
Именно так было во Вселенной до появления реликтового излучения – свет полностью поглощался туманом свободных электронов (часто говорят о непрозрачной Вселенной).
Сочетание непрозрачности и томсоновского рассеяния придает CMF однородную температуру во всех направлениях.
Известно также, что в области однородной температуры реликтового излучения должны быть небольшие флуктуации, поскольку высокая частота взаимодействий указывает на наличие фотонов везде, где присутствует материя.
Возможно, вы слышали, что реликтовое излучение дает нам информацию о содержании темной материи во Вселенной или что холодные и горячие места реликтового излучения соответствуют более или менее плотным областям — и вот почему.
Темная материя не взаимодействует с обычной материей, поэтому способна собираться в плотные комки, а фотоны задерживаются туманом свободных электронов.
Гравитационное притяжение сгустков темной материи объединяет ядра и электроны, а вместе с ними и фотоны.
Колебания температуры фотонов, которые мы наблюдаем в KMFI, напрямую говорят нам, где располагалась материя 13 миллиардов лет назад. (И если вас не впечатляет то, что космологам удалось обнаружить реликтовое излучение, знайте, что наблюдаемые колебания температуры в 100 000 раз меньше 2,73 К – это уже микрокельвины!) 
При этом пространство расширилось и волны фотонов растянулись.
Энергия фотона связана с его длиной волны, и чем больше длина волны, тем меньше энергия.
В конце концов, расширение настолько растягивает фотоны, что их энергия падает ниже энергии ионизации.
И в этот момент электроны соединяются с ядрами, образуя нейтральные водород и гелий (и некоторые другие вещи), а фотоны способны беспрепятственно распространяться.
Момент образования нейтральных атомов называется рекомбинацией и часто описывается как превращение Вселенной в прозрачную.
Фотоны, вырвавшись из электронного тумана, могут двигаться в направлении, в котором они в конечном итоге встретятся с Землей и нашими датчиками CMF! Краткий момент между рассеянием фотонов и образованием нейтральных атомов называется последней поверхностью рассеяния.
Именно это нам показывает КМФИ.
Поскольку до этого момента Вселенная была непрозрачной, мы буквально ничего не сможем увидеть.
Так что же с этими картами? Лучший способ извлечь информацию из карт распределения CMF — рассчитать энергетический спектр, и вы, вероятно, видели один из них в научно-популярных статьях.
Взаимосвязь между горячими и холодными точками может сбивать с толку, но на самом деле она довольно проста.
Чтобы понять эту связь, давайте посмотрим на простую форму сигнала.
Любая непериодическая гладкая волна, которую вы можете найти или нарисовать, обладает одним важным математическим свойством: ее можно записать как сумму множества различных периодических волн с определенными частотами и амплитудами.
Волну можно описать в реальном пространстве, то есть отложить по осям x и y. Но его можно описать и через гармоническую функцию, то есть построить зависимость частот, которые необходимо просуммировать, от амплитуд каждой из них.
На гифке наглядно показана связь между волной, как ее можно разложить на сумму разных частот и как все это связано с гармонической функцией.
Людям с математическим образованием можно просто сказать, что это преобразование Фурье.
Если вместо волн на плоскости представить себе волны на поверхности, то это будет КМП — совокупность горячих точек (пиков) и холодных пятен (провалов), расположенных на поверхности последнего рассеяния.
Вместо единого изображения температурных флуктуаций реликтового излучения мы можем записать их как сумму различных закономерностей, каждая из которых соответствует определенной моде или мультиполю.
Графики спектра мощности реликтового излучения показывают, насколько сильна каждая мода, и при суммировании они воспроизводят картину реликтового излучения.
Гениальная идея спектра мощности в космологии заключается в том, что мы можем делать прогнозы о его форме, основываясь на нашем понимании Вселенной.
Стандартная модель космологии называется LambdaCDM, то есть лямбда (темная энергия) холодной темной материи, и для большинства мультиполей она удивительно хорошо соответствует температурному спектру реликтового излучения.
В самых маленьких мультиполях наблюдаются некоторые странности, многие из которых хорошо описаны здесь.
До сих пор речь шла только о температуре наблюдаемого реликтового излучения, но фотоны тоже обладают поляризацией.
Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, он имеет интенсивность и ориентацию относительно базовой системы координат. Направление ориентации — это поляризация, и именно поэтому солнцезащитные очки так хорошо блокируют блики.
Они фильтруют световые волны, ориентированные в одном направлении, обычно отраженные от плоской поверхности.
Поляризация реликтового излучения (которая бывает двух типов: E-режим и B-режим) разлагается на спектр мощности так же, как и температурные флуктуации.
Эти спектры добавят еще больше информации о нашей ранней Вселенной и, возможно, даже позволят найти доказательства существования доисторических гравитационных волн.
Но смогут ли они? Именно этот конфликт между Planck и BICEP2 ученые пытаются разрешить! Теги: #Популярная наука #физика #вселенная #большой взрыв #реликтовое излучение #CMFI
-
Скайп Для Юридических Лиц
19 Oct, 24 -
Защита Внешних Носителей От Троянов.
19 Oct, 24 -
Дизайн Блога Для Начинающих
19 Oct, 24 -
Появился Хит-Парад «Вирусных» Видеороликов
19 Oct, 24
