Космическое фоновое излучение и красное смещение в зависимости от температуры

Итак, это уменьшение температуры Вселенной увеличивает длину волны реликтового излучения, или это расширение и, следовательно, красное смещение, или они каким-то образом связаны?

Излучение черного тела может быть откалибровано по температуре. Это форма реликтового излучения , одной из лучших кривых излучения черного тела:

График спектра космического микроволнового фона, измеренного прибором FIRAS на COBE, наиболее точно измеренном спектре черного тела в природе. Планки погрешностей слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже на увеличенном изображении, и невозможно отличить наблюдаемые данные от теоретической кривой.

Копирую по ссылке

В модели Большого взрыва для формирования Вселенной инфляционная космология предсказывает, что примерно через 10 ^ −37 секунд зарождающаяся Вселенная претерпела экспоненциальный рост, который сгладил почти все неоднородности. Остальные неоднородности были вызваны квантовыми флуктуациями в поле инфлатона, вызвавшими событие инфляции. Через 10^-6 секунд ранняя Вселенная состояла из горячей взаимодействующей плазмы фотонов, электронов и барионов. По мере расширения Вселенной адиабатическое охлаждение приводило к уменьшению плотности энергии плазмы до тех пор, пока электроны не стали благоприятствовать соединению с протонами, образуя атомы водорода. Это событие рекомбинации произошло, когда температура была около 3000 К или когда Вселенной было примерно 379 000 лет. В этот момент,

Кривая черного тела, подогнанная к реликтовому излучению, дает температуру, которая

теперь до 2,7260 ± 0,0013 К она будет продолжать падать по мере расширения Вселенной. Интенсивность излучения также соответствует излучению черного тела при 2,726 К , потому что излучение черного тела со смещением в красную область точно такое же, как излучение черного тела при более низкой температуре . Согласно модели Большого взрыва, излучение неба, которое мы измеряем сегодня, исходит от сферической поверхности, называемой поверхностью последнего рассеяния.

Курсив мой.

Согласно модели ББ, реликтовое излучение — это моментальный снимок излучения черного тела Вселенной, когда ему было 379 000 лет. Вот что значит развязка, фотоны в среднем перестали взаимодействовать/рассеиваться, потому что образовались нейтральные атомы и сечение взаимодействия упало практически до нуля.

Предполагается, что наблюдаемая Вселенная в настоящее время не излучает как черное тело, поскольку ее неоднородность больше не может рассматриваться как черное тело, в отличие от 379000 лет от начала ББ, когда она была единым однородным ансамблем, как описано выше. , поэтому он не может загрязнять спектр в пределах ошибок, которые очень малы.

Мы не измеряем текущую температуру Вселенной с помощью реликтового излучения.

Если бы не было расширения пространства, оно сохранило бы форму черного тела с температурой ~3000К, которая была температурой Вселенной в то время. Тот факт, что реликтовое излучение в настоящее время такое холодное, вписывается в мозаику, из которой последовательно выстраивается модель Большого взрыва.

Излучение черного тела с красным смещением похоже на излучение черного тела при более низкой температуре, поэтому вы можете подумать, что эти два эффекта смешаны. Реликтовое излучение происходит из того времени, когда Вселенной было около 379 000 лет, когда (по мере расширения Вселенной) адиабатическое охлаждение вызывало уменьшение плотности энергии плазмы до тех пор, пока электроны не стали благоприятными для соединения с протонами, образуя атомы водорода. . Это событие рекомбинации произошло, когда температура была около 3000 К. В этот момент фотоны больше не взаимодействовали с теперь электрически нейтральными атомами и начали свободно путешествовать в пространстве, что привело к разъединению вещества и излучения. Первоначальный пик реликтового излучения находился в видимом свете с температурой около 3000 К, а из-за красного смещения пик наблюдается при более низкой длине волны около 160,2 ГГц. в микроволновом диапазоне частот. Вы можете дать этому наблюдаемому распределениюцветовая температура 2,72 К (которая будет продолжать падать из-за красного смещения по мере расширения Вселенной).

Излучение черного тела из-за космического микроволнового фона находилось в термодинамическом равновесии с остальной частью Вселенной при температуре около 3000 К, когда оно «развязывалось».

Событие расцепления (никогда не понимаю, почему его часто называют рекомбинацией, поскольку протоны и электроны никогда ранее не объединялись), когда электроны захватываются протонами, сделало Вселенную очень прозрачной для излучения в ней. Следовательно, спектр черного тела был зафиксирован в этой точке, при температуре 3000К, и был бы таким же сегодня, если бы не расширение пространства.

По мере расширения пространства все длины волн становятся длиннее в один и тот же множитель.$1+z$, где$z$- текущее наблюдаемое красное смещение источника космического излучения. Эпоха испускания реликтового излучения соответствует$z \sim 1100$, поэтому все длины волн были растянуты в$\sim 1101$.

Закон Вина связывает длину волны пика распределения абсолютно черного тела с обратной величиной его характеристической температуры. Следовательно, эта пиковая длина волны также смещена, и поэтому текущая характеристическая температура реликтового излучения равна$\sim 3000/1+z$, что дает наблюдаемые 2,7 К.