Reliktstrahlung, Teil 2: Der Beweis des Urknalls

Published on September 20, 2016

Reliktstrahlung, Teil 2: Der Beweis des Urknalls

Ursprünglicher Autor: Amanda Yoho
  • Übersetzung


Im ersten Teil haben wir über kleine Temperaturschwankungen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBI) gesprochen. Jetzt schalten wir auf eine andere Komponente des KMFI um, die ungefähr 100-mal kleiner ist als das Temperatursignal: die Polarisation. Und obwohl wir über Konzepte sprechen, die in engem Zusammenhang mit unserer täglichen Erfahrung stehen, muss man bedenken, dass die Reststrahlung des Urknalls tatsächlich nur leicht ist. Und Licht ist eine elektromagnetische Welle, ein oszillierender Satz elektrischer Felder (E) und magnetischer Felder (B), die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.



Wir werden sofort sagen, dass sich das Vorhandensein von Polarisation in Form eines E-Modus (irrotatorische Komponente) und eines B-Modus (Wirbel) manifestieren kann, da Photonen elektrische und magnetische Felder haben, die sich voneinander unterscheiden, aber miteinander verwandt sind . Die jüngste Aufregung, die mit den prähistorischen B-Moden bei der Polarisation des CMBI verbunden ist, und die Möglichkeit ihrer direkten Detektion verdient es, bekannt zu sein. Sie bieten uns den einfachsten Zugang zu Informationen über die Energie, die während der Inflation anfällt, eine der frühesten Phasen in der Entwicklung des Universums, deren Spuren in einigen anderen messbaren Parametern zu finden sind. B-Mods sind nur ein Teil der gesamten Polarisationsgeschichte.

Leichte KMFI - nicht nur ein Lichtblick


Kurz gesagt, wir erinnern uns an den ersten Teil: Das größte Signal des CMBR liegt in Form von Temperaturschwankungen des Lichts (oder der Photonen) vor. Ein Meer von freien Elektronen und Photonen wechselwirkt sehr oft (durch Thomson-Streuung), und die Elektronen bleiben frei, da Photonen genug Energie haben, um Elektronen davon abzuhalten, sich mit Atomkernen zu verbinden. Elektronen sind mit Photonen assoziiert und bewegen sich gleichzeitig ständig zwischen Regionen hoher Dichte, die durch die Verklumpung dunkler Materie gebildet werden.



Parallel dehnt sich der Raum aus, wodurch sich die Wellenlänge der Photonen erhöht, wodurch sie Energie verlieren. Infolgedessen verlieren die Photonen genügend Energie, so dass die Elektronen mit den Kernen kombiniert werden können, die Thomson-Streuung aufhört und sich das Licht frei ausbreiten kann. Dieser Moment wird als Rekombination bezeichnet, und der Ort, von dem die Photonen kommen, wird als letzte Streufläche bezeichnet. Eiförmige Beobachtungsdiagramme des CMBI zeigen heiße und kalte Photonenpunkte auf der Oberfläche der letzten Streuung über den Himmel verteilt nach den Bedingungen vor der Rekombination des Universums.

Die Temperaturverteilung ist jedoch nur eine Information, die in der Physik des damaligen Universums verschlüsselt ist. Zusätzlich enthalten die Lichtwellen eine bevorzugte Orientierung in verschiedenen Teilen des Himmels, dh je nach Richtung zur Quelle schwingt die Lichtwelle mehr in eine Richtung als in die andere. Diese Orientierung - die bevorzugte Richtung der Wellenoszillation - ist die Polarisation.

Polarisation


Polarisation ist leichter vorstellbar als Temperatur. Die Polarisation der Photonen KMFI und der Oberfläche der letzten Streuung sind die Früchte der Thomson-Streuung und keine komplexe Mischung aus Streuung und Oszillation, die durch das Fallen in Bereiche mit erhöhter Dichte der dunklen Materie und äußerem Photonendruck entsteht, wie dies bei der Temperatur der Fall ist. Mit anderen Worten, trotz der Verbreitung im Universum beeinflusst die Dunkle Materie die Polarisation von CMPI-Photonen nicht. Polarisation kann auch durch Gravitationslinsen auftreten, und Physik der dunklen Materie und galaktische Cluster nehmen an diesem Prozess teil. Aber in dem Artikel betrachte ich nur die Polarisation auf der Oberfläche der letzten Streuung.



Um zu verstehen, wie Thomson-Streuung zu Polarisation führt, müssen Sie verstehen, wie dieser Prozess abläuft. Seine einfache Erklärung ist eine Kollision zweier Objekte, und wie für fast jedes physikalische Konzept wird eine einfache Erklärung unvollständig sein. Um zu klären, müssen wir drei Dinge verstehen:
1. Die Photonen von elektrischen und magnetischen Feldern zusammengesetzt sind,
2. die Elektronen beginnen mich zu bewegen, in der Wirkung des elektrischen Feldes gefangen,
wenn 3. Elektronenbeschleunigungs emittiert ein Photon, und vor allem - in einem Winkel von 90 Grad zur Fahrtrichtung .

Im Rahmen unseres Themas wird ein Photon aus dem KMFI vom Elektron absorbiert und das Elektron in Richtung des elektrischen Feldes des Photons beschleunigt. Infolgedessen sendet das Elektron ein neues Photon aus, so dass sein elektrisches Feld in eine bestimmte Richtung gerichtet ist und dieselbe Frequenz wie das ursprüngliche Photon hat. Dies ist es, was polarisiertes Licht ergibt: ein Photon aus einem Bereich, in dem das elektrische Photonenfeld im Durchschnitt in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.





Dies reicht jedoch nicht aus, um KMFI zu polarisieren. Wir brauchen auch eine spezielle Konfiguration von Elektronen und Photonen, wenn ein Elektron heiße Photonen von oben und unten und kältere von links und rechts "sieht". Diese Anordnung, bei der sich die heißen und die kalten Stellen gegenüberliegen, wird als Quadrupol bezeichnet .



Bei Vorhandensein einer Quadrupolanordnung um das Elektron herum beschleunigen die von den heißen Abschnitten einfallenden Photonen die Elektronen stärker als die kühleren Photonen. Das vom Elektron emittierte Licht wird polarisiert, da der größte Teil der elektrischen Feldstärke auf die Hot Spots ausgerichtet ist. Es zeigt sich auch, dass nur der Quadrupol zur Polarisation führt - komplexere Konfigurationen von heißen und kalten Bereichen führen nicht zur beobachteten Polarisation im CMBR.





Also, wiederhole.

• Photonen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern und beschleunigen ein Elektron während der Wechselwirkung.
• Aufgrund der Beschleunigung sendet das Elektron ein neues Photon aus.
• Mit Elektronen sichtbare Quadrupolen beschleunigen ein Elektron so, dass die von ihm wieder emittierten Photonen polarisiert werden.
• Schließlich führen nur Quadrupole zu einer beobachtbaren Polarisation im CMBR.

Konfigurieren Sie die Quadrupole


Für das Erscheinen der Polarisation brauchen wir also Quadrupole. Wie bekomme ich sie? Es gibt zwei Hauptmechanismen für ihre Erzeugung: Dichteschwankungen und Gravitationswellen.

Dichteschwankungen führen zur beobachteten Temperaturverteilung. Es gibt dichte Regionen zerknitterter dunkler Materie (und in etwas geringerem Maße gewöhnlicher Materie), die Photonen und Elektronen anziehen. Im ersten Teil haben wir bereits beschrieben, wie dies funktioniert und zur Schaffung heißer und kalter Bereiche führt. Bei Temperaturschwankungen müssen also auch Polarisationsschwankungen auftreten.




Bild der Partikelringverformung während des Durchlaufs einer Gravitationswelle. Bei KMFI werden durch das Strecken die Photonen kälter und die Kompression heißer, wodurch Quadrupole entstehen, die zur Polarisation führen

Gravitationswellen erzeugen Quadrupole auf unterschiedliche Weise und dehnen und komprimieren den Raum. Die obigen Bilder zeigen, wie sich der Ring der Partikel mit einer vorbeiziehenden Gravitationswelle verändert. Diese Verformungen wirken sich auch auf die Wellenlänge aus, wodurch das Photon heißer aussieht, wenn es sich in einem schrumpfenden Bereich befindet, und kälter in einem streckenden Bereich. Aus den Bildern ist leicht zu ersehen, wie heiße Bereiche über und unter dem Elektron und kalte Bereiche - links und rechts - erscheinen.



Was ist mit B-Mod?





Eine spezielle Art der Polarisation, der B-Mode, wurde kürzlich in der Presse ausführlich beschrieben. Wie hängen sie mit der beschriebenen Polarisation zusammen?

Jedes Polarisationsfeld kann in zwei Teile unterteilt werden: den Teil, in dem die Partikel von einem bestimmten Punkt in der Mitte ausgehen (E-Mode), und den Teil, in dem sich die Partikel um einen bestimmten Punkt nach rechts oder links drehen (B-Mode). Erinnern wir uns an den Institutsverlauf der Physik, so entspricht der erste Fall der Strahlung ohne Turbulenzen und der zweite der Strahlung ohne Divergenz. Die Namen E- und B- stammen von Analoga der Felder, die in Maxwells Gleichungen in einem Vakuum auftreten, in dem das Feld E keine Verdrehung aufweist und das Feld B keine Divergenz aufweist.

Dichteschwankungen - wenn wir eine Quadrupolverteilung von heißen und kalten Bereichen um ein Elektron haben - wirken sich auf die E-Mode-Strahlung aus, und Gravitationswellen - Spannringe - führen zum Auftreten von E-Moden und B-Moden. Infolgedessen werden die B-Moden der Polarisation des CMBI nur durch Gravitationswellen erzeugt (wenn wir ausschließlich von der Oberfläche der letzten Streuung sprechen), und die E-Moden treten als Folge von Gravitationswellen und Dichteschwankungen auf. Da sich Dichteschwankungen viel stärker auswirken als Gravitationswellen, sollte das E-Mode-Signal in Dichteeffekten dominieren, was mit Beobachtungen übereinstimmt. Daher ist die Messung von B-Moden das Hauptziel von Experimentatoren, die prähistorische Gravitationswellen am KMFI beobachten möchten.

Daher hat die Suche nach dem B-Modus für die kosmologische Gemeinschaft Priorität. Etwas früher kündigte das BICEP2-Team die Entdeckung prähistorischer B-Modi an, doch diese Analyse wurde in Frage gestellt und erfordert zusätzliche Beobachtungen. Es werden verschiedene Experimente vorbereitet, von Planck bis EBEX, SPTPol, Spider und anderen.

Natürlich werden wir auf eine Menge Neuigkeiten warten, die über diese Experimente berichten. Und wenn wir die Natur des frühen Universums beleuchten, können wir möglicherweise sogar die schwer fassbare Spur im Restlicht des Urknalls entdecken: Kräuselungen auf der Oberfläche des Weltraums!