Почему космический микроволновый фон свидетельствует о более горячей и плотной ранней Вселенной?

Помимо того факта, что космический микроволновый фон (CMB) — это прямое предсказание модели Большого взрыва, возникает вопрос, каким образом вы могли бы его создать каким-либо другим способом. Он очень близок к изотропии и очень близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. это почти идеальное поле излучения абсолютно черного тела.

Поле излучения абсолютно черного тела излучается материалом, находящимся в полном термодинамическом равновесии (CTE). Примером может служить интерьер звезды. Требование для (CTE) состоит в том, чтобы вещество и поле излучения характеризовались одинаковой температурой и чтобы материал был «оптически толстым», что означает, что он непрозрачен для этого излучения практически на всех длинах волн.

Учитывая, что Вселенная в основном состоит из водорода, гелия и (в настоящее время) следов более тяжелых элементов, мы можем задаться вопросом, как возможно создать идеальное поле излучения абсолютно черного тела? Холодный водород и гелий прозрачны для микроволн. Чтобы сделать их непрозрачными, их необходимо ионизировать, чтобы свободные электроны могли быть источником непрозрачности на всех длинах волн за счет томсоновского рассеяния. Но для этого нужны гораздо более высокие температуры — около 3000 К.

Как равномерно повысить температуру газа (адиабатически)? Сжимая его. Меньшая и более плотная Вселенная была бы достаточно горячей, чтобы иметь ионизированный водород, и была бы непрозрачной для излучения внутри нее. По мере расширения и охлаждения электроны объединяются с протонами, образуя атомы, и Вселенная становится прозрачной, но заполняется спектром излучения абсолютно черного тела. Свет, изначально имеющий температуру 3000 К и в основном в видимом и инфракрасном диапазонах, увеличил свою длину волны в 1100 раз за счет расширения Вселенной, а это означает, что теперь мы видим его в основном как микроволны.

Дополнительным доказательством этой модели является то, что поле излучения не является абсолютно изотропным. Эти маленькие пульсации кодируют информацию, такую ​​как скорость расширения Вселенной во время (ре)комбинации и плотность материи. Выведенные из измерений, эти параметры очень хорошо согласуются с другими определениями, не зависящими от реликтового излучения, такими как соотношение расстояния красного смещения Хаббла и оценки изначального содержания дейтерия и гелия.

Теперь есть прямые доказательства того, что реликтовое излучение было горячее в прошлом и точно на величину, предсказываемую адиабатическим расширением. Источником этого свидетельства являются измерения частотной независимости эффекта Сюняева-Зельдовича по отношению к скоплениям галактик (например, Луцци и др., 2009 ); или, точнее, исследуя условия возбуждения в газовых облаках на большом красном смещении, используя в качестве зондов еще более далекие квазары (например, Сриананд и др., 2008 г.). Новые результаты были опубликованы Ли и др. (2021 г.) . Они описывают измерения Сюняев- Эффект Зельдовича для сотен скоплений галактик в диапазоне красных смещений$0.07<z<1.4$и покажите, что температура реликтового излучения изменяется как$T_0(1 + z)^{0.983^{+0.032}_{-0.029}}$, что соответствует адиабатическому расширению до 3%.

Модель Большого взрыва расширяющейся Вселенной Фридмана с горячей и плотной ранней эрой, которая охлаждалась и истончалась по мере расширения Вселенной, предсказывала существование, изотропию и приблизительную температуру космического микроволнового фона . Таким образом, открытие этого реликтового излучения считается сильным подтверждением этой удивительно простой и элегантной модели. См. этот список прогнозов температуры реликтового излучения.

В этой статье рассматриваются альтернативные объяснения реликтового излучения и почему они не считаются столь же убедительными, как модель Большого взрыва.