Kozmično mikrovalovno sevanje ozadja

1. Astronomsko društvo Vega Kozmično mikrovalovno sevanje ozadja Vir:http://www.nasa.gov/topics/universe/features/wmap_five.html predstavitev za skupino Repatice in kometi Gregor Vertačnik 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 • kozmično 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 časom 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 povečala, danes vidno kot sevanje črnega 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 črnega telesa v odvisnosti od temperature. Vir: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Planck_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) • kozmično sevanje ozadja so prvi l. 1948 napovedali Gamow, Alpher in Herman: • prve napovedi dokaj netočne (5 K, 28 K, 50 K, neenakomerno sevanje) • malo odziva na članka o tem sevanju • l. 1957 je Shmaonov ocenil temperaturo ozadja na 4±3 K in zapisal, da je sevanje izotropno in časovno nespremenljivo • Dicke in Zeldovič sta v 60. letih 20. stol. “obudila” teorijo o mikrovalovnem sevanju • Doroškevič in Novikov sta l. 1964 v kratkem članku ("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 začela sestavljati merilni inštrument za to sevanje

6. Odkritje Penziasa in Wilsona • eno največjih 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 občutljivo 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/Discovery_of_cosmic_microwave_background_radiation Penzias in Wilson. Vir: http://www.bell-labs.com/project/feature/archives/cosmology/

7. kljub vsemu je pri valovni dolžini 7,35 cm sprejemnik zaznaval stalen šum (ponoči in podnevi, v vseh smereh), ki je bil 100x močnejši, kot sta pričakovala • tudi po odstranitvi golobov, ki so gnezdili na anteni in čiščenju, je šum ostal • sklepala sta, da šum izvira izven Galaksije • Bernard Burke je Penziasa obvestil o še neobjavljenem članku, 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 črnemu telesu, kar je bil dokaz proti statičnemu 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 akustičnega vrha (TOCO) • 2002 odkritje polarizacije (DASI) • nadaljujejo se merjena v boljši ločljivosti (DASI, WMAP, BOOMERANG, CBI), v načrtu 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 času rekombinacije (meritve WMAP). Vir: http://map.gsfc.nasa.gov/media/080998/index.html

12. Povezava v Velikim pokom • mikrovalovno sevanje ozadja je potrditev inflacijskega modela Velikega poka (drugi odličen dokaz je kozmološki rdeči premik) • model predvideva normalno (Gaussovo) porazdelitev odklonov v začetnem 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 večinoma posledica dveh efektov: • akustičnih nihanj • “difuzijsko dušenje” • akustična nihanja izvirajo iz lastnosti fotonsko-barionske plazme mladega vesolja: • pritisk fotonov skuša izničiti anizotropijo • gravitacijska privlačnost barionov ustvarja goste haloje (skupke) • kotna velikost prvega vrha določa 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 ločimo med obema tipoma motenj, ker so razmerja v kotni velikosti drugačna (1:2:3 oz. 1:3:5) • opazovanja kažejo samo na adiabatne motnje, kar izloči mnogo modelov

14. “breztrkovno dušenje” povzročata dva efekta, potem ko se prvotna plazma neha obnašati kot tekočina: • Naraščajoča prosta pot fotonov v vse redkejši prvotni plazmi zaradi širjenja vesolja • Končna debelina sloja zadnjega sipanja, kar povzroči nenadno podaljšanje prosti poti v procesu “decoupling” • oba efekta približno enako močno 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 referenčno 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_background_radiation • http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang#Cosmic_microwave_background_radiation • http://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_of_cosmic_microwave_background_radiation • http://en.wikipedia.org/wiki/COBE • http://en.wikipedia.org/wiki/Wilkinson_Microwave_Anisotropy_Probe • http://www.astro.ubc.ca/people/scott/cmb_intro.html