¿Cuáles son las causas de la isotropía y la anisotropía del fondo cósmico de microondas?

Esta pregunta es más complicada de lo que parece, por lo que sería imposible una respuesta completa, pero intentaré mencionar algunas de las ideas principales.

Primero, vale la pena señalar cuál es la señal que estamos midiendo: la radiación del cuerpo negro del Universo temprano.

El universo fue inicialmente un plasma opaco. Había mucha luz, pero esa luz estaba atrapada por la alta densidad de partículas cargadas, con los fotones pinchando en lugar de viajar en algo parecido a una línea recta. Esta alta tasa de interacción significaba que la luz y el plasma se mantenían en equilibrio termodinámico entre sí. Cuando el plasma se enfrió y formó átomos neutros, pasando de opaco a transparente, se liberó toda esa luz, la mayor parte de la cual hizo el viaje hasta nuestros telescopios sin una notable interferencia de la materia que interviene. Entonces, al medir el espectro de la luz proveniente de un parche de cielo dado, podemos determinar qué tan caliente / densa era esa parte del Universo temprano.

Isotropía:

La (casi) isotropía del CMB significa que la materia del Universo temprano de la que recibimos luz en una dirección estaba (casi) a la misma temperatura que su contraparte en una dirección totalmente diferente. Esto no es plausible como una coincidencia, y hasta ahora la mejor explicación que tenemos es que todo el Universo observable solía estar en contacto térmico suficiente para alcanzar el equilibrio termodinámico.

Sin embargo, esto plantea un problema, llamado el problema Horizon: dados los componentes actuales del Universo, y nuestra comprensión de cómo funciona la expansión, partes tan increíblemente distantes del Universo no deberían haber tenido tiempo de alcanzar el equilibrio antes de separarse unas de otras. Siempre. ( Podemos recibir luz de ambos, pero nunca más recibirán luz el uno del otro ).

La mejor manera que hemos encontrado para resolver este problema es postular que el Universo solía tener otro componente (aparte de la materia “regular”, la materia oscura, la radiación y la energía oscura), llamado campo “inflatón”. Con las propiedades correctas, este campo podría conducir a una fase de expansión extremadamente rápida antes de la descomposición, lo que cambiaría la historia termodinámica del Universo observable lo suficiente como para permitir el equilibrio. Desafortunadamente, este modelo de inflación es extremadamente difícil de confirmar empíricamente, por lo que todavía hay mucha incertidumbre a su alrededor.

Anisotropía

Sabemos más sobre esta parte, pero hay tantas cosas que contribuyen a la anisotropía que aún es imposible dar una respuesta integral aquí. Por lo tanto, trataré de dar una idea general de los tipos de efectos que entran en juego, que se dividen en dos categorías generales.

  1. Efectos que condujeron a diferencias de temperatura / densidad en el Universo temprano .

    Lo más importante para recordar aquí es probablemente que la densidad uniforme es gravitacionalmente inestable , es decir, los efectos gravitacionales tenderán a amplificar las pequeñas diferencias que aparezcan. Puedes considerarlo como un juego de tira y afloja gravitacional: si una región es ligeramente más densa que su entorno, su gravedad dominará a la de sus vecinos, lo que conducirá a la acumulación de aún más densidad, y así sucesivamente. en un proceso desbocado. Entonces, incluso pequeñas fluctuaciones cuánticas en el Universo temprano podrían crecer lo suficiente como para ser medibles para el momento en que se lanzó el CMB.

    Sin embargo, la gravedad no fue el único juego en la ciudad, lo que condujo a una interacción bastante complicada de la gravedad, la presión, la expansión cosmológica y la física de partículas de alta energía, que involucró el zoológico de constituyentes en constante cambio que forman el Universo. Por ejemplo, hubo ondas de presión (sonido) en el plasma temprano, llamadas oscilaciones acústicas de Baryon, que crearon correlaciones en las anisotropías que se pueden medir tanto en el CMB como en las estadísticas actuales de cómo se distribuyen las galaxias. También hay cosas como la amortiguación de difusión, que suaviza las anisotropías en escalas suficientemente pequeñas, y una variedad de otros efectos que conducen a perturbaciones de temperatura / densidad a diferentes escalas que crecen a diferentes velocidades.

    Sin embargo, es bueno recordar que todas estas anisotropías son pequeñas : las desviaciones de la isotropía están alrededor del nivel de 0.001%. Si todos los humanos tuvieran aproximadamente la altura promedio actual, pero con el mismo nivel de variación que se encuentra en el CMB, ¡las diferencias de altura de una persona a otra serían aproximadamente del grosor de un cabello humano!

  2. Efectos que influyen en la luz del CMB en su camino hacia nosotros.

    Estos efectos son generalmente más pequeños, pero siguen siendo importantes, y pueden darnos información valiosa sobre las propiedades y el contenido del espacio intermedio. Los ejemplos incluyen el efecto integrado de Sachs-Wolfe, el efecto Sunyaev-Zel’dovich, la lente gravitacional, la dispersión de electrones libres en el espacio intergaláctico, etc., cada uno de los cuales nos dice algo diferente.

Como dije, este es un tema bastante grande, ¡pero espero que funcione como punto de partida!

Esta es una pregunta reflexiva. Para comprender la anisotropía / isotropía CMBR, debe comprender dónde se origina realmente. No tiene nada que ver con la inflación o un Big Bang, en cambio, es solo radiación térmica normal (cuerpo negro) de la materia en el espacio, todo muy frío y distante de cualquier estrella.

Esta “Sopa de Oort” es muy escasa, pero debido a que ocupa todo menos una billonésima parte del volumen del Universo, su masa se suma: contiene aproximadamente el 90% de la masa del Universo. El CMBR que recibimos en la Tierra proviene de toda la sopa de Oort, pero debido a la simple ley de energía de radiación de distancia (a medida que avanza desde una fuente de radiación, su intensidad disminuye como el cuadrado de la distancia), son los componentes más cercanos de la sopa de Oort que proporciona la mayor parte de nuestro CMBR.

Nuestro Sistema Solar es una entidad real, con un radio de aproximadamente 100 UA (Unidad Astronómica, la distancia de la Tierra al Sol), llamada Heliosfera. La sonda espacial Voyager 1 ha penetrado en el borde de la Heliosfera, donde reveló un cambio brusco en los campos magnéticos locales. Las cosas más allá del límite de la Heliosfera generalmente se llaman la Nube de Oort. La materia que contiene (Sopa de Oort) existe en todo el espacio interestelar, pero la radiación CMBR que recibimos proviene principalmente de la Sopa de Oort más allá del límite de la Heliosfera, simplemente porque está más cerca.

Si obtenemos X cantidad de CMBR de un punto en la sopa de Oort a 100 UA, obtenemos X / 4 de ella a 200 UA y X / 16 de un punto de sopa a 400 UA. Entonces, mientras que la Nube de Oort se extiende más allá de 100,000 UA, las fuentes más efectivas de CMBR para nosotros en el Sistema Solar son aquellas más cercanas a la Heliosfera. Un componente de esto vendría del recientemente postulado Planeta Nueve, que, si existe, está fuera de la Heliosfera.

Entonces, al considerar la anisotropía CMBR, la esencia es cómo se coloca la Heliosfera con respecto a la Sopa de Oort a su alrededor, y la sorpresa es que la Heliosfera tiene su propio movimiento específico a través de la Sopa, como una medusa que nada en el mar.

La faceta más obvia de la anisotropía CMBR es la llamada dipolo CMBR, como se representa en el gráfico familiar anterior. La interpretación de este gráfico no es particularmente intuitiva, los puntos importantes a recordar son que representa toda la superficie interna de la esfera celeste, de modo que los pequeños puntos azules y rojos son diametralmente opuestos en la esfera. Además, la dimensión más amplia del óvalo representa el plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, y que se ha deducido una gran cantidad de basura de la imagen, por lo que solo muestra los datos del dipolo principal.

El término “dipolo” es corto para decir que si mira hacia un cierto punto en el cielo (hacia el cráter de la constelación), la señal CMBR tiene una pequeña disminución en la longitud de onda (un cambio azul), mientras que si mira hacia atrás (en la dirección opuesta a Crater), la señal CMBR tiene un aumento de longitud de onda exactamente equivalente (desplazamiento hacia el rojo).

Estos cambios de longitud de onda son causados ​​por el conocido efecto Doppler y, a partir de su tamaño, la velocidad de movimiento de la heliosfera (sistema solar) a través de la sopa de Oort se puede calcular con bastante precisión. Está cerca de 600 kilómetros por segundo, una tasa bastante alta, mucho más que eso debido a que el Sistema Solar está en órbita alrededor del Centro Galáctico, alrededor de 370 km / seg.

La confirmación de este proceso proviene de la medición detallada de la variación en el Dipolo a lo largo del tiempo. Si nuestra Heliosfera está bajo consideración, entonces el movimiento de la Tierra alrededor del Sol tiene lugar dentro de ella. Como la órbita de la Tierra está aproximadamente en el mismo plano que el movimiento de la Heliosfera hacia el Cráter, entonces el dipolo CMBR debería mostrar una pequeña variación semestral (de aproximadamente 30 km / seg) en el Cambio Doppler, a medida que el espectador de la Tierra se mueve hacia el Cráter o lejos de él en los lados opuestos de su órbita.

De hecho, se observa tal variación semestral. Las observaciones del Observatorio Espacial COBE muestran claramente el cambio en la velocidad a 30 kilómetros por segundo debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Hay un patrón sinusoidal claro en la amplitud y dirección del dipolo con un período de un año, en los cuatro años de datos de COBE DMR. Los mapas de diferencias tomados con seis meses de diferencia producen el patrón dipolo familiar con la amplitud y dirección del movimiento de la Tierra.

Además del dipolo, hay otras variaciones más pequeñas en el CMBR recibido en la Tierra. Se representan en el siguiente gráfico, que representa variaciones en las longitudes de onda de CMBR como variaciones diminutas en frecuencia o temperatura lejos de la mediana de CMBR, que es para la materia de Sopa de Oort a una temperatura de aproximadamente 2.72 Kelvin.

La interpretación de estos datos es que los cuerpos de Oort Soup no se distribuyen completamente de manera regular, pero pueden formar grupos que se mueven entre sí y con respecto al Sistema Solar. La situación se complica por el hecho de que los cuerpos de sopa de Oort más grandes están a temperaturas algo más altas que los más pequeños a la misma distancia de una estrella, por lo que tendrán una longitud de onda CMBR ligeramente diferente.

Encontrará un resumen rápido de CMBR en:

¿Dónde se origina la radiación de fondo de microondas cósmica?

.

Y hay una mirada detallada en:

P4: El Gran Universo Promedio (GAU): Cómo el Sistema Solar canibaliza la Nube de Oort. < http://www.aoi.com.au/GAU/index.htm&gt ;.

Un sitio (no el mío) con gráficos útiles está en:

Alineaciones anómalas en el fondo cósmico de microondas .

Las galaxias que viven hoy crean el CMB. No es radiación de hace 13 mil millones de años. Esa radiación se quemaría por mucho tiempo. CMB es solo la intersección de la radiación que emiten los agujeros negros actuales. Los agujeros negros no están distribuidos uniformemente en el espacio, por lo que las lecturas de CMB no serán perfectamente uniformes.

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