Achtergrond straling

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie
Spring naar navigatie Spring naar zoeken
Temperatuurschommelingen in de achtergrondstraling, geregistreerd door de WMAP -ruimtesonde (missie 2001-2010)
Temperatuurschommelingen in de achtergrondstraling, vastgelegd door de COBE- satelliet (missie 1989-1993)

Achtergrondstraling , meer bepaald kosmische microgolfachtergrond (CMB) , ook bekend als drie-Kelvin-straling vanwege de lage temperatuur en energiedichtheid , is bijna isotrope straling in het microgolfbereik die het hele universum vult en die ontstond kort na de oerknal . Het is van buitengewoon belang voor de fysieke kosmologie , omdat het wordt beschouwd als bewijs van de oerknaltheorie ( standaardmodel ).

De kosmische achtergrondstraling moet niet worden verward met kosmische straling .

theorie

Na de oerknal waren straling en materie aanvankelijk in thermisch evenwicht . Door de uitdijing van het heelal namen de temperatuur en de dichtheid van het gekoppelde straling-materie-mengsel in de loop van de tijd af. Immers, na ongeveer 380.000 jaar waren protonen en elektronen bij een temperatuur van ongeveer 3000 Kelvin in staat om elektrisch neutrale waterstof te vormen , wat in de natuurkunde bekend staat als recombinatie . Doordat er nu vrije elektronen en protonen ontbraken, kon de straling door Thomson-verstrooiing van fotonen geen interactie meer aan met de materie - het heelal werd "transparant". De kosmische microgolfstraling stamt uit deze tijd, het recombinatietijdperk . [1] Het werd uitgezonden in het zichtbare spectrum op het moment van zijn ontstaan.

De verdere uitdijing van het heelal veroorzaakte door de uitdijing van de ruimte-tijd een uitdijing van de golflengte van de bestaande fotonen, oftewel een roodverschuiving . Daarom nemen we deze fotonen vandaag waar als kosmische achtergrondstraling in het microgolfbereik. Het is ruwweg uniform in elke richting van de hemel op normale schalen en wordt niet gecreëerd door individuele bronnen zoals sterrenstelsels over elkaar heen te leggen.

Als gevolg van het thermische evenwicht vóór recombinatie heeft de straling het bijna perfecte intensiteitsspectrum van een zwart lichaam (ook wel zwartlichaamstraling genoemd) met een temperatuur van 2,725 (± 0,002) Kelvin vandaag. [2]

Volgens een kosmologische modelberekening [1] is de roodverschuiving van de achtergrondstraling z = 1089 ± 0,1, en bevat elke kubieke centimeter van het vacuüm in de ruimte gemiddeld 400 fotonen van de achtergrondstraling.

verhaal

Hoornantenne van " Bell Labs' " in Holmdel , New Jersey (VS), waar in 1964 de voorspelde microgolfstraling als storend signaal werd ontvangen

Straling uit de intergalactische ruimte met 2,8 K werd al in 1933 voorspeld door Erich Regener . [3]

Als gevolg van een oerknal werd het pas in de jaren 40 gepostuleerd met hogere waarden door George Gamow , Ralph Alpher en Robert Herman . De ontdekking gebeurde bij toeval in 1964 door Arno Penzias en Robert Woodrow Wilson tijdens het testen van een nieuwe gevoelige antenne die was gebouwd voor experimenten met kunstmatige aardsatellieten. In hetzelfde nummer van de Astrophysical Journal waarin Penzias en Wilson hun resultaten publiceerden, interpreteerde Robert Henry Dicke de ontdekking onder meer al als kosmische blackbody-straling, in een paper waarin ze op hun beurt de voorbereiding van een soortgelijk experiment (op andere golflengten) aankondigden. ) waarin Penzias en Wilson hen voor waren. Penzias en Wilson ontvingen voor deze ontdekking in 1978 de Nobelprijs voor de natuurkunde . [4] [5]

Andrew McKellar vond al in 1940/1941 [6] bewijs van de achtergrondstraling bij het Mount Wilson Observatory door de temperatuur te bepalen van het rotatiespectrum van CN-moleculen in het interstellaire medium. Zijn ontdekking vond zelfs zijn weg naar het bekende leerboek Spectra of diatomische moleculen (1950) van Gerhard Herzberg , [7] maar geen van beiden erkende de omvang van de ontdekking. [8e]

In 1964 deden A. Doroshkevich en Igor Dmitrijewitsch Novikow ook een voorstel voor het observeren van relikwiestraling in de USSR. [9]

Metingen

Het spectrum (intensiteit als functie van het golfgetal ) van de kosmische microgolf achtergrondstraling gemeten door de satelliet COBE, een Planck spectrum met de temperatuur T = 2.725 K. De foutbalken van de datapunten zijn te klein [10] om weergegeven op een scherm, werden essentiële grotere foutbalken toegevoegd om de meetpunten zichtbaar te maken. [11] Het maximum ligt bij een golflengte van ca. 2 mm, wat overeenkomt met een frequentie van ca. 150 GHz .

In de experimenten van Penzias en Wilson is slechts op één frequentie gemeten, daarom zijn in de jaren daarna ook op andere frequenties gemeten. Dit bevestigde dat de straling eigenlijk blackbody-straling is . Dit type straling heeft de typische klokvormige intensiteitscurve die op de afbeelding wordt weergegeven. Omdat de aardobservatiemogelijkheden in het microgolfbereik beperkt zijn door atmosferische absorptie, werd de satellietmissie COBE gelanceerd.

  • De ruisspanning werd gemeten op zoveel mogelijk frequenties uit zoveel mogelijk richtingen met behulp van zeer gevoelige microgolfontvangers.
  • Vanwege de brede frequentieband moesten verschillende antennes en ontvangers worden gebruikt. Dus normalisaties en conversies naar absoluut ontvangstvermogen waren noodzakelijk.
  • Het doel was om alleen gegevens te krijgen over de zwakke achtergrondstraling. Daarom moest het stralingsgedrag van alle bekende en soms zeer intense voorgrondbronnen zoals de Krabnevel of andere supernovaresten worden gemodelleerd en afgetrokken voor alle frequenties.
  • De overige meetwaarden laten een opvallend dipoolpatroon zien: het maximum van de straling uit een zeer specifieke richting (ongeveer tegengesteld aan de huidige draairichting van het zonnestelsel in de Melkweg) is duidelijk blauw verschoven, in de tegenovergestelde richting rood verschoven ( Doppler-effect ). Dit wordt verklaard door het feit dat ons zonnestelsel met ongeveer 369 km/s beweegt in vergelijking met een referentiesysteem waarin de straling isotroop is. [12]
  • Dit dipoolpatroon wordt afgetrokken en de meermaals gewijzigde meetwaarden werden uitgezet als functie van de golflengte (zie rechter plaatje).
  • Met de formule van de stralingswet van Planck werden modelkrommen berekend voor verschillende temperaturen en in hetzelfde diagram getekend.
  • De modelcurve voor 2,725 K is degene die het beste past bij de meetpunten (in de zin van de kleinste kwadraten van de fout ).

anisotropie

Vermogensspectrum van de temperatuurschommelingen van de kosmische achtergrondstraling

De temperatuur van de microgolfachtergrond is zeer uniform ( isotroop ) over de hele hemel. De sterkste afhankelijkheid van de waarnemingsrichting is slechts ongeveer 0,1% en ontstaat door de beweging van de Melkweg (en dus de aarde) ten opzichte van de microgolfachtergrond:

  • Fotonen die uit de bewegingsrichting komen zijn door het Doppler-effect blauw verschoven, de temperatuur van de achtergrondstraling wordt in deze richting verhoogd.
  • Fotonen die uit de tegenovergestelde richting komen, zijn overeenkomstig rood verschoven, de achtergrondstraling lijkt koeler.

Dit resulteert in een dipoolanisotropie van de temperatuurverdeling. Met deze methode, die gebruikelijk is in de astronomie, is het ook mogelijk om de juiste beweging in de ruimte te bepalen in relatie tot de achtergrondstraling.

De temperatuurschommelingen op kleinere hoekschalen kunnen worden onderverdeeld in:

  • primaire anisotropieën : anisotropieën als gevolg van effecten die van kracht waren op het moment dat de straling werd gegenereerd. De belangrijkste zijn:
    • Het Sachs-Wolfe-effect : straling die ontsnapt uit overdichte gebieden ondergaat eengravitationele roodverschuiving , zodat de achtergrondstraling in de overeenkomstige richting een iets lagere temperatuur heeft; anderzijds wordt dit effect gedeeltelijk gecompenseerd door het feit dat de zwaartekracht leidt tot een tijdsvertraging . Daarom komen de fotonen van de dichtere gebieden uit een iets eerdere tijd toen het heelal nog heter was. Beide effecten worden samen beschreven door het Sachs-Wolfe-effect. [13]
    • De dichtheidsfluctuaties in het vroege heelal leiden tot bijzondere snelheden . Dit zijn de snelheden van materie die optreden naast de uitdijingssnelheid van de ruimte . De elektronen waarmee de fotonen voor de laatste keer verstrooien hebben dus een extra snelheidscomponent die afhankelijk is van de dichtheid. [13]
    • Als de baryondichtheid in een klein gebied wordt verhoogd, worden de baryonen adiabatisch samengedrukt en dus heter. Omdat de baryonen in thermisch evenwicht zijn met de fotonen, worden de fotonen ook energierijker. [13]
  • Secundaire anisotropieën: Anisotropieën door effecten die pas later op de weg van de fotonen door de ruimte naar voren kwamen. Deze omvatten in het bijzonder:
    • Er zijn vrije elektronen in het heelal waarop de fotonen zich kunnen verspreiden. Aangezien Thomson-verstrooiing grotendeels isotroop is, is de richting van het foton na verstrooiing grotendeels onafhankelijk van zijn richting vóór verstrooiing. De verstrooide fotonen bevatten geen informatie meer over de fluctuaties in de CMB. Als resultaat worden de anisotropieën gedeeltelijk uitgewassen. [13]
    • Wanneer ze door het heelal gaan, gaan de fotonen door een reeks potentiële bronnen van de structuren van het heelal (bijvoorbeeld door sterrenstelsels , clusters van sterrenstelsels, enz.). Ze krijgen altijd een zwaartekrachtsblauwverschuiving en dan weer een roodverschuiving. Omdat het totale zwaartekrachtpotentieel van het heelal in de loop van de tijd verandert, heffen de effecten elkaar niet volledig op. Dit staat bekend als het geïntegreerde Sachs-Wolfe-effect .
    • Bovendien worden de fotonen afgebogen wanneer ze door de potentiaalputten gaan. De hoek waaronder we de fotonen waarnemen, komt niet precies overeen met hun positie op het moment van recombinatie - dit smeert de anisotropieën uit op kleine hoekschalen. [13]
    • Fotonen kunnen verstrooien op de elektronen van het hete gas van clusters van sterrenstelsels. Deze Compton-verstrooiing verhoogt de energie en frequentie van de fotonen gemiddeld iets. Dit verhoogt het aantal hoogfrequente fotonen ten opzichte van het Planck-spectrum , terwijl het aantal laagfrequente fotonen afneemt. Dit wordt het Sunjajew-Seldowitsch-effect genoemd . [13]

De statistische eigenschappen van de dichtheidsverdeling op het moment van recombinatie - en dus de primaire anisotropieën - kunnen nauwkeurig worden gemodelleerd binnen het raamwerk van relativistische kosmologie als een functie van minder kosmologische parameters . De secundaire anisotropieën kunnen ofwel worden uitgerekend of in de modellering in aanmerking worden genomen. Daarom kunnen - afhankelijk van de kosmologische parameters - voorspellingen worden gedaan over de temperatuurverdeling, met name over het hoekvermogensspectrum (zie figuur). Als je dit vergelijkt met het gemeten hoekvermogensspectrum, kun je de kosmologische parameters bepalen.

De ontdekking van deze kleine temperatuurschommelingen (ongeveer 0,001%) in kleinere gebieden door de COBE- satelliet in 1993 was een doorbraak in de waarneming van het vroege heelal. Het meten van de sterkte van deze fluctuaties maakte duidelijk dat de stof op het moment van de recombinatie zeer homogeen was verdeeld. Nader onderzoek door middel van experimenten op de grond, ballontelescopen en vooral de ruimtesondes WMAP en Planck hebben de sterkte van deze temperatuurschommelingen als functie van hun hoek aan de hemel veel beter gekarakteriseerd. Het feit dat de gemeten eigenschappen van de microgolfachtergrond goed overeenkomen met de theoretische voorspellingen is een uitstekend bewijs dat de oerknaltheorie geldig is. De meting van de parameters van deze theorie is gunstig voor het lambda-CDM-model .

Van augustus 2009 tot februari 2012 heeft de Europese ruimtesonde Planck de straling gemeten met een zelfs drie keer hogere resolutie , met een betere onderdrukking van storende straling. [14] [15] De temperatuurschommelingen zijn momenteel een van de belangrijkste meetvariabelen in de kosmologie en theorieën over de vorming van structuren in het vroege heelal.

Nieuwe vragen

Ondanks de over het algemeen uitstekende overeenkomst tussen de gemeten eigenschappen van de kosmische microgolfachtergrond en de theoretische voorspellingen, zijn er enkele aspecten van de gegevens die niet volledig worden begrepen en hebben geleid tot voortdurende discussies.

Dus sommige van de laagste momenten in de hoekverdeling van temperatuur zijn lager dan voorspeld. De gemeten extreme waarden van de achtergrondstraling lopen nagenoeg loodrecht op de ecliptica van het zonnestelsel, waarbij de afwijking van de loodlijn binnen het bereik van de meetonnauwkeurigheden beweegt. Daarnaast is er een duidelijke noord-zuid asymmetrie met een maximum in het noorden. [16] [17] [18] Dit is verrassend. Het standaardmodel van de kosmologie kent geen globaal onderscheidende ruimtelijke richting. Daarom zou de kosmische achtergrondstraling uit alle ruimtelijke richtingen gemiddeld even sterk moeten zijn. [19]

Er is ook een gebied genaamd CMB Cold Spot met een diameter van rond de 5°, waarin de temperatuur van de achtergrondstraling beduidend lager is dan het gemiddelde. Deze CMB-cold spot wordt meestal geïnterpreteerd als een afbeelding van een bijzonder grote, vooral lege ruimte . Er is geprobeerd deze lege ruimte direct te detecteren door middel van een driedimensionale mapping van de sterrenstelsels die in deze richting moeten worden waargenomen. Verschillende onderzoeksgroepen kwamen tot tegengestelde resultaten. Een studie uit 2016 bevestigt een leegte in het betreffende luchtgebied. [20] Een studie uit 2017 daarentegen komt tot de conclusie dat er geen ruimtelijke structuur is in de verspreiding van de waarneembare sterrenstelsels die compatibel is met de CMB Cold Spot. [21]

Deze afwijkingen van de verwachte verdeling van de achtergrondstraling, die al zichtbaar waren in de resultaten van de WMAP-missie, werden bevestigd door metingen met de Planck in hogere resolutie en nauwkeurigheid. [22]

Verschillende samenwerkingsverbanden zoeken in de fijne verdeling van de gemeten achtergrondstraling naar indicaties van inflatie en zwaartekrachtsgolven uit de begintijd van het heelal. Een eerste rapport op basis van metingen van de BICEP2-detector trok in 2014 media-aandacht. [23] Een jaar later kwamen dezelfde auteurs echter tot de conclusie dat de afwijkingen van isotropie verklaard kunnen worden door stof uit de Melkweg . [24]

literatuur

web links

Commons : Kosmische achtergrondstraling - Verzameling van afbeeldingen, video's en audiobestanden

Individueel bewijs

  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: eerstejaars Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observaties: voorlopige kaarten en basisresultaten . In: Astrofysica. J. Suppl. Volume   148 , 2003, blz.   1-27 , doi : 10.1086 / 377253 , arxiv : astro-ph / 0302207 .
  2. ^ Kenneth R. Lang: A Companion to Astronomy and Astrophysics. Chronologie en woordenlijst met gegevenstabellen. Springer, 2006, blz. 242.
  3. E. Regener: De energiestroom van ultrastraling. (PDF; 166 kB, PDF). Bij: wolff.ch. In: Tijdschrift voor Natuurkunde. 80, 9-10, 1933, blz. 666-669.
    Voor verdere geschiedenis zie z. BAKT Assis, MCD Neves: Geschiedenis van de 2,7 K-temperatuur voorafgaand aan Penzias en Wilson. (PDF; 94,4 kB).
  4. ^ Arno Penzias: The Origin of Elements, Nobellezing ( Engels ) Nobel Foundation. 8 december 1978. Ontvangen op 11 december 2009.
  5. ^ Robert Woodrow Wilson: The Cosmic Microwave Achtergrond adiation, Nobel Lecture ( Engels ) Nobel Foundation. 8 december 1978. Ontvangen op 11 december 2009.
  6. ^ McKellar: Publ. Astron. Soc. Pacific, deel 52, 1940, blz. 187, deel 53, 1941, blz. 233, publicatie Dom. Astrofysica. Observ., Volume 7, 1941, nr. 15, blz. 251.
  7. Daar blz. 496. Hij schreef: "Uit de intensiteitsverhouding van de GN-lijnen met K = 0 en K = 1 volgt een rotatietemperatuur van 2,3 K, wat natuurlijk maar een zeer beperkte betekenis heeft."
  8. ^ Paul A. Feldman: Interstellaire moleculen vanuit een Canadees perspectief. Deel I: De vroege jaren.
  9. Doroshkevich, Novikov. In: Doklady Akad Nauka USSR. Volume 154, 1964, blz. 809. Het verhaal wordt ook besproken door Igor Novikow, Dmitri Nowikow en Pavel Naselsky in hun boek Physics of the Cosmic Microwave Background, Cambridge University Press 2006, in het bijzonder verwerpen zij de mening die is gepubliceerd in Penzias' Nobel Lecture In het artikel zou de CMB zijn uitgesloten op basis van metingen van Ohms gepubliceerd in 1961.
  10. Originele gegevens van het FIRAS-team.
  11. Fixsen et al: The Cosmic Microwave Background Spectrum van de volledige COBE FIRAS-datasets. Astrophysical Journal, 473, 576, 1996.
  12. ^ G. Hinshaw et al: Vijfjarige Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)-waarnemingen: gegevensverwerking, luchtkaarten en basisresultaten . In: The Astrophysical Journal Supplement Series . plakband   180 , 17 oktober 2008, p.   225–245 , doi : 10.1088 / 0067-0049 / 180/2/225 , arxiv : 0803.0732 .
  13. a b c d e f Peter Schneider: Extragalactische astronomie en kosmologie. Springer, 2008.
  14. ESA-persbericht , geraadpleegd op 6 februari 2012.
  15. Wereld van de natuurkunde. Ontvangen 6 februari 2012.
  16. ^ A. de Oliveira-Costa, onder andere: De betekenis van de grootste schaal CMB-fluctuaties in WMAP . In: fysieke recensie D. 69, 2004, blz. 063516. arxiv : astro-ph / 0307282 . doi : 10.1103 / PhysRevD.69.063516 .
  17. DJ Schwarz, onder andere: Is de lage l microgolfachtergrond kosmische? . In: Fysieke beoordelingsbrieven . 93, 2004, blz. 221301. arxiv : astro-ph / 0403353 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.93.221301 .
  18. P. Bielewicz, KM Gorski, AJ Banday: Low-orde multipool kaarten van CMB anisotropie verkregen uit WMAP. In: Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . 355, 2004, blz. 1283. arxiv : astro-ph / 0405007 . doi : 10.1111 / j.1365-2966.2004.08405.x .
  19. O. Preuss, H. Dittus, C. Lämmerzahl: Stars and Space. april 2007, blz. 34.
  20. Nadatur Seshadri, Robert Crittenden: Een detectie van de geïntegreerde Sachs-Wolfe afdruk kosmische bovenbouw gebruik van een matched-filter benadering. In: The Astrophysical Journal . 830, nr. 2016, 2016, blz. L19. arxiv : 1608.08638 . bibcode : 2016ApJ ... 830L..19N . doi : 10.3847 / 2041-8205 / 830/1 / L19 .
  21. Ruari Mackenzie: Bewijs tegen een supervoid die de CMB-koude plek veroorzaakt. In: Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . 470, nr. 2, 2017, blz. 2328-2338. arxiv : 1704.03814 . bibcode : 2017MNRAS.470.2328M . doi : 10.1093 / mnras / stx931 . "Een andere verklaring zou kunnen zijn dat de Koude Vlek het overblijfsel is van een botsing tussen ons heelal en een ander 'bubbel'-universum tijdens een vroege inflatiefase (Chang et al. 2009, Larjo & Levi 2010)."
  22. ^ ESA: Planck gepubliceerde papers. 21 maart 2013, geraadpleegd op 23 december 2016 .
  23. Personeel: BICEP2 2014 Resultaten Release . In: Nationale Wetenschapsstichting . 17 maart 2014. Ontvangen 18 maart 2014.
  24. Ron Cowen: Ontdekking van zwaartekrachtgolven nu officieel dood . In: natuur , 30 januari 2015.