Astronomía

¿Cuál es la física de la contribución del “polvo giratorio” a las mediciones del fondo cósmico de microondas?

¿Cuál es la física de la contribución del “polvo giratorio” a las mediciones del fondo cósmico de microondas?



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El extenso artículo Observaciones de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson de nueve años (WMAP): mapas y resultados finales menciona "polvo giratorio" unas 51 veces. Es un contribuyente potencial al espectro medido y los detalles de su espectro de emisión tienen más de un modelo propuesto.

pregunta: ¿Existe una forma sencilla de comprender la física detrás del espectro de emisión de polvo giratorio y en qué se diferenciaría de polvo que no gira?


El "polvo giratorio" es un mecanismo propuesto para explicar una característica particular en la emisión en primer plano de CMB; un golpe alrededor de $ nu sim20 , mathrm {GHz} $.

Los granos de polvo adquieren carga a través de emisiones fotoeléctricas y colisiones con electrones e iones (Draine y Lazarian 1998). Como comenta zephyr, si el polvo es un mal conductor, sus cargas, en general, estarán distribuidas de manera desigual, causando que los pequeños granos de polvo exhiban un momento dipolar eléctrico $ mathbf { mu} $. Pero las moléculas que forman los granos pueden tener un momento dipolar, e incluso un conductor perfecto, en general, tendrá su centroide de carga desplazado del centroide de masa (Purcell 1975).

Las colisiones y la radiación pueden hacer que los granos comiencen a girar, y en presencia de campos magnéticos (que son muy comunes en el medio interestelar), este giro a su vez hace que las partículas emitan radiación con una potencia $ P $, según la fórmula de Larmor. que para un dipolo rotatorio se puede escribir como: $$ P = frac {2} {3} frac { mu_ perp ^ 2 omega ^ 4} {c ^ 3}. $$ Aquí $ mu_ perp $ es el componente de $ mu $ perpendicular al eje de rotación, $ omega $ es la frecuencia angular de la rotación y $ c $ es la velocidad de la luz.

La radiación emitida coincide con la frecuencia de rotación que se encuentra en la región de (decenas de) GHz, correspondiente a las longitudes de onda en la región de microondas.

Por el contrario, la radiación del polvo que no gira será térmica, por lo que se encuentra en el infrarrojo.

El artículo al que se vincula (Bennett et al. 2013) muestra la diferencia en la Fig.22 (aunque la radiación térmica alcanza su punto máximo fuera del rango de observación de WMAP): El polvo giratorio alcanza su punto máximo alrededor de $ nu sim20 , mathrm {GHz} $ , mientras que la radiación térmica alcanza un pico alrededor de $ nu sim2 , 000 , mathrm {GHz} $.

Tenga en cuenta que el polvo giratorio también emite radiación térmica y, de hecho, las fluctuaciones térmicas dentro de los granos hacen que las cargas se muevan con bastante rapidez, cambiando $ mu_ perp $ y $ omega $ (Hoang et al. 2015), lo que hace que la eliminación sea efectiva. las líneas espectrales.

Podría decirse que un grano de polvo simétrico será golpeado por partículas / fotones, en promedio, tanto de un lado como de otro. Purcell (1975) propone un mecanismo para acelerar el giro de un grano asimétrico. A continuación se muestra la Fig. 1 de su artículo. Una partícula que golpea en una concavidad tiene más probabilidades de interactuar con los granos dos veces. Si el gas está más frío que el grano, se calentará y dejará el grano con una velocidad mayor a la que entró, haciendo que el grano en la figura comience a girar en sentido antihorario; si el gas está más caliente (que es el caso más frecuente), hará que el grano gire en el sentido de las agujas del reloj.


Inflación cósmica

La inflación cósmica es una expansión del universo más rápida que la luz que dio lugar a muchos otros.

La inflación se inventó para explicar un par de características del universo que son realmente difíciles de explicar sin ella. La primera es que la teoría general de la relatividad de Einstein hace que la masa doble el espacio y el tiempo, por lo que es de esperar que un universo como el nuestro, que contiene masa, tenga una curva general de alguna manera, ya sea sobre sí mismo como una bola (curvatura "positiva" ) o sobre sí mismo como una silla de montar (curvatura “negativa”).

De hecho, es casi plano. No solo eso, sino que incluso los fragmentos lejanos en diferentes direcciones, como se observa desde la Tierra, tienen aproximadamente la misma temperatura, aunque en un universo en expansión no habría habido tiempo para que el calor pasara entre ellos para nivelar las cosas. Eso parece un asalto desnudo a las leyes de la termodinámica.

La inflación cósmica resuelve estos problemas de un plumazo. En sus primeros instantes, el universo se expandió más rápido que la luz (el límite de velocidad de la luz solo se aplica a las cosas dentro del universo). Eso eliminó las arrugas en su ser caótico inicial y significó que incluso ahora las partes lejanas alguna vez estuvieron en estrecho contacto, por lo que podrían intercambiar calor.

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La inflación es ahora una parte incorporada de nuestra historia estándar de evolución cósmica. Pero sigue siendo controvertido. En 2014, los investigadores afirmaron haber visto ondas de inflación impresas en el fondo cósmico de microondas. Pero esto resultó ser un error, y no está claro qué habría hecho que el universo primitivo se inflara de todos modos. Peor aún, la inflación es muy difícil de detener, creando un multiverso de universos desconectados causalmente que brotan eternamente unos de otros.

Una salida podría ser debilitar la velocidad constante de la luz. Si la velocidad de la luz fuera más rápida en el universo temprano, eso también explicaría el problema de la temperatura. Quizás la luz todavía se está desacelerando ahora, solo a un ritmo que es imperceptible incluso para nuestros detectores más sensibles.


Nuestra facultad

Rupert CroftSus intereses de investigación son la cosmología computacional, que incluye tanto simulaciones como el análisis de datos de grandes estudios. Esto incluye la física del medio intergaláctico y su uso como sonda de cosmología y de formación de galaxias y cuásares. Él está participando en los estudios de SDSS de galaxias y líneas de absorción de cuásares que limitan la energía oscura, y está realizando las primeras mediciones de "mapeo de intensidad" de la estructura utilizando líneas de emisión óptica. Croft también trabaja en la reionización del Universo y las galaxias con alto desplazamiento al rojo, así como en nuevas sondas cosmológicas de gravedad modificada, como los desplazamientos al rojo gravitacionales y otros efectos relativistas que recién comienzan a medirse a partir de galaxias y estructuras a gran escala. Hace uso de las instalaciones informáticas de alto rendimiento del McWilliams Center, incluidos los grupos Warp y Coma para analizar datos SDSS y realizar simulaciones cosmológicas hidrodinámicas y de transferencia radiativa.

Tiziana Di Matteo es un teórico con experiencia tanto en astrofísica de altas energías como en cosmología. Sus intereses se centran en las simulaciones cosmológicas de vanguardia de la formación de galaxias con especial énfasis en modelar el impacto de los agujeros negros en la formación de estructuras en el Universo. Su investigación hace un uso extensivo de la informática de alto rendimiento. Recientemente, ha dirigido un esfuerzo para ejecutar simulaciones de un volumen excepcionalmente grande y alta resolución para estudiar la formación de las primeras grandes galaxias y cuásares en el amanecer cósmico del Universo. Esta primera población de galaxias y agujeros negros será investigada con los telescopios de próxima generación (Euclid, JWST y WFIRST). Las grandes simulaciones cosmológicas hidrodinámicas proporcionan el vínculo directo entre el componente bariónico y la materia oscura y se están volviendo útiles en todas las etapas de los principales proyectos de observación en cosmología. Di Matteo es miembro de LSST Dark Energy Science Collaboration.

Scott Dodelson está interesado en aprender sobre física fundamental mediante el análisis de datos de estudios cósmicos. Los astrofísicos han construido un modelo cosmológico notablemente exitoso, pero requiere tres nuevas piezas de física: materia oscura, energía oscura e inflación. Su percepción del objetivo de la cosmología durante la próxima década es extraer la mayor cantidad de información posible de encuestas cada vez más sensibles para aprender sobre esta nueva física: ¿Qué es la materia oscura? ¿Es la energía oscura energía del vacío? Si es así, ¿por qué tiene un valor tan peculiar? ¿Realmente ocurrió la inflación? Si es así, ¿hay alguna forma de relacionar los campos que impulsaron la inflación con los que conocemos hoy?

Fred GilmanLa investigación se centra en la física teórica de partículas, particularmente en la comprensión de la naturaleza de la violación de CP, que es un ingrediente necesario para explicar el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo. Junto con la materia oscura, la energía oscura, los campos responsables de la inflación y las masas de neutrinos, estas preguntas fundamentales sobre la naturaleza del universo apuntan a la física más allá del Modelo Estándar. Gilman es miembro de LSST Dark Energy Science Collaboration desde el momento de su creación. Es el presidente del Consejo de Administración de AURA para el LSST (AMCL), el comité que supervisa la construcción y puesta en marcha del Proyecto LSST, y es miembro del Consejo de Administración de la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA). .

Shirley Ho es un cosmólogo cuyo interés va de la teoría a las observaciones, y cuya investigación involucra tanto simulaciones como análisis de estructuras a gran escala mediante técnicas novedosas desarrolladas en Machine Learning y Estadística. Utilizando una estructura a gran escala y el fondo cósmico de microondas, busca comprender el comienzo del Universo y su evolución, sus componentes oscuros (energía oscura y materia oscura) y los neutrinos ligeros y esquivos. Su investigación reciente se centra en el uso de una regla estándar llamada Oscilaciones acústicas de Baryon a través de varios trazadores de estructuras a gran escala, como el agrupamiento en 3D. De esta manera, desempeña papeles de liderazgo en análisis de estructuras a gran escala en las colaboraciones SDSS-III, SDSS-IV y Large Synoptic Sky Telescope (en particular, dentro de LSST Dark Energy Science Collaboration). Además, es miembro del futuro Instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI) y encuestas Euclid.

Tina KahniashviliLas áreas de investigación incluyen la investigación de procesos físicos en el Universo en épocas muy tempranas, así como en épocas tardías. En particular, estudia (i) pruebas de simetrías fundamentales a energías muy altas (épocas tempranas de la expansión del universo) utilizando datos actualmente disponibles de experimentos astrofísicos, cosmológicos y de física de partículas (ii) señales de ondas gravitacionales del universo muy temprano (inflación, fase transiciones) (iii) fluctuaciones de CMB más allá de los modelos cosmológicos estándar. Está interesada en escenarios alternativos para explicar la expansión acelerada del universo, como modificaciones de la relatividad general (especialmente modelos de gravedad masiva). También trabaja en campos magnéticos cosmológicos y los orígenes, evolución y firmas observables de la turbulencia primordial.

Rachel MandelbaumSus intereses de investigación se encuentran predominantemente en las áreas de cosmología observacional y estudios de galaxias. Este trabajo incluye el uso de lentes gravitacionales débiles y otras técnicas de análisis, con proyectos que van desde el desarrollo de métodos mejorados de análisis de datos hasta la aplicación real de dichos métodos a los datos existentes. Actualmente, se centra en los datos de SDSS (incluidos SDSS-III y SDSS-IV en curso) e Hyper-SuprimeCam (HSC), y está trabajando en próximas encuestas que incluyen LSST, Euclid y WFIRST.

Jeffrey PetersonEl grupo lleva a cabo observaciones cosmológicas utilizando la línea de emisión de 21 cm de hidrógeno neutro. El grupo fue pionero en el campo del mapeo de intensidad de 21 cm utilizando telescopios existentes para hacer la primera detección de estructura cósmica en corrimientos al rojo cerca de uno. El equipo ahora contribuye al diseño de telescopios de 21 cm hechos a medida en Canadá, México y China. Actualmente, Peterson lidera el programa de diseño de RF para el telescopio HIRAX en Sudáfrica, una serie de 1024 platos de seis metros programados para la Reserva de Radioastronomía de Sudáfrica. Este telescopio mapeará la estructura cósmica desde el corrimiento al rojo de 0.8 a 2.5, lo que permitirá una prueba precisa de los modelos de energía oscura. Estos telescopios también se pueden utilizar para estudiar los misteriosos y raros Fast Radio Bursts. El equipo informó recientemente la detección de la primera explosión de radio extragaláctica convincente.

Carl Rodríguez es un astrofísico teórico y computacional que estudia la dinámica de las estrellas, los agujeros negros y las ondas gravitacionales que crean. Utilizando una amplia gama de técnicas, desde la teoría de la perturbación hasta las simulaciones de supercomputadoras, estudia la formación y evolución de sistemas de estrellas múltiples como estrellas binarias, estrellas triples, cúmulos globulares y cúmulos de estrellas nucleares. Estos sistemas son excepcionalmente eficientes para producir agujeros negros binarios y otros objetos compactos fusionados, y pueden haber producido muchas, si no la mayoría, de las colisiones de agujeros negros detectadas por los detectores de ondas gravitacionales LIGO / Virgo. Rodríguez está muy interesado en la relatividad general, los agujeros negros y la astrofísica de ondas gravitacionales, y cómo estos nuevos descubrimientos pueden informar nuestra comprensión de la física y la cosmología estelar. También está interesado en la formación, evolución y destrucción de cúmulos estelares en galaxias, y cómo podemos comprenderlos mejor a través de la teoría y las observaciones.

Hy Trac es un cosmólogo teórico y computacional cuyos intereses científicos incluyen la evolución cósmica y la formación de estructuras. Su trabajo incluye el desarrollo y aplicación de simulaciones numéricas para modelar e interpretar el Universo observable. Actualmente está desarrollando un nuevo código hidrodinámico sin mallas. En cosmología, está especialmente interesado en problemas complejos que involucran el gas, las estrellas, las galaxias, los cuásares y los cúmulos de galaxias que proporcionan información sobre la materia oscura subyacente y la energía oscura. En astrofísica, le gustaría especialmente trabajar en la formación de estrellas y planetas y el desarrollo de atmósferas planetarias. También colabora con expertos en aprendizaje automático y estadísticos para aplicar enfoques modernos para mejorar el análisis de datos de múltiples longitudes de onda y las simulaciones numéricas. Es miembro de las colaboraciones del Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) y del Observatorio Simons (SO).


Relación con el Big Bang:

El CMB es fundamental para la teoría del Big Bang y los modelos cosmológicos modernos (como el modelo Lambda-CDM). Como dice la teoría, cuando nació el Universo hace 13.8 mil millones de años, toda la materia se condensó en un solo punto de densidad infinita y calor extremo. Debido al calor extremo y la densidad de la materia, el estado del Universo era muy inestable. De repente, este punto comenzó a expandirse y comenzó el Universo tal como lo conocemos.

En este momento, el espacio se llenó con un brillo uniforme de partículas de plasma al rojo vivo & # 8211 que consistían en protones, neutrones, electrones y fotones (luz). Entre 380.000 y 150 millones de años después del Big Bang, los fotones interactuaban constantemente con electrones libres y no podían viajar largas distancias. De ahí por qué esta época se conoce coloquialmente como la & # 8220 Edad Oscura & # 8221.

A medida que el Universo continuó expandiéndose, se enfrió hasta el punto en que los electrones pudieron combinarse con los protones para formar átomos de hidrógeno (también conocido como Período de Recombinación). En ausencia de electrones libres, los fotones pudieron moverse sin obstáculos a través del Universo y comenzó a aparecer como lo hace hoy (es decir, transparente e impregnado de luz). Durante los miles de millones de años transcurridos, el Universo continuó expandiéndose y enfriándose enormemente.

Debido a la expansión del espacio, las longitudes de onda de los fotones crecieron (se "corrieron al rojo") hasta aproximadamente 1 milímetro y su temperatura efectiva disminuyó hasta justo por encima del cero absoluto y # 8211 2,7 Kelvin (-270 ° C -454 ° F). Estos fotones llenan el Universo de hoy y aparecen como un resplandor de fondo que se puede detectar en el infrarrojo lejano y las longitudes de onda de radio.


Fondo de microondas cósmico

Hay muchas historias sobre cómo comenzó el universo o el mundo. Uno de los mejores ejemplos es, según la tribu Bushongo de África central, al principio, solo había oscuridad, agua y el gran Dios Bumba. Un día Bumba, que sufría de dolor de estómago, echó el sol !! El sol secó parte del agua, dejando tierra. Del mismo modo, sacó la luna, los planetas, etc. Esta es una de las historias sobre cómo nació el universo.

Hace 13.800 millones de años, cuando se formó el universo, se produjeron muchas mutaciones como resultado del Big Bang. El fondo cósmico de microondas, que también es abreviado como CMB por los cosmólogos, se encontró en realidad 40.000 años después del Big Bang. El fondo cósmico de microondas (o CMB) inicialmente entendido como solo una radiación de calor sobrante del Big Bang, o el momento en que se formó el universo. La radiación de fondo cósmico de microondas, o radiación CMB para abreviar, es un débil resplandor de luz (o radiación) que llena el universo, cayendo sobre la Tierra desde todas las direcciones con una intensidad casi uniforme.

Fondo cósmico:

Como dice la teoría, cuando se formó el universo experimentó un rápido aumento de tamaño, inflación y expansión. Uno de los hechos interesantes es que el universo todavía se está expandiendo incluso hoy, y la tasa de expansión parece diferente dependiendo de dónde se observe (en otras palabras, depende del marco de referencia), eso es lo que nos sugiere la relatividad. El fondo cósmico de microondas representa la radiación de calor que quedó del Big Bang. Es el calor residual de la creación, es decir, el resplandor del Big Bang, fluyendo a través del espacio estos últimos 13.800 millones de años como la radiación de calor de una roca calentada por el sol, reradiada por la noche.

Cuando el universo tenía apenas unos minutos, los protones y neutrones supervivientes se recombinaron para formar un núcleo atómico, principalmente de lo que se convertiría en hidrógeno y helio. El hidrógeno y el helio que se formaron en un momento muy temprano en el universo todavía están cargados, por lo que la niebla sigue siendo imposible de ver. En este punto, el material brumoso no es diferente al que encontramos dentro de una estrella, pero por supuesto, llena todo el universo.

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Después de la intensa acción incontrolable de los pocos minutos de existencia, el universo permanece prácticamente igual durante los pocos cientos de miles de años, y continúa expandiéndose y enfriándose, la niebla caliente se vuelve cada vez más delgada, más tenue y enrojecida a medida que se estiran las longitudes de onda de la luz. por la expansión del universo.

Después de 380.000 años, cuando la parte del universo que eventualmente observaremos desde la tierra haya crecido a millones de años luz a través de la niebla, finalmente se aclarará. Debido a que las cargas eléctricas de los electrones y los núcleos se anulan entre sí, los átomos completos no se cargan, por lo que ahora los fotones pueden viajar ininterrumpidamente, lo que implica que el universo se ha vuelto ligeramente transparente.

Después de esta larga espera hasta que se despeje la niebla, ¿qué podemos ver? Solo las longitudes de onda rojas que se desvanecen se dispersan en todas las direcciones, que se vuelven más rojas y más tenues a medida que la expansión del espacio continúa estirando las longitudes de onda de los fotones. Finalmente, la radiación luminosa deja de ser visible en todas direcciones. Los fotones de ese último resplandor han estado viajando y se han extendido hacia el espacio e incluso parecían cada vez más rojos y estos fotones se detectan ahora como radiación de fondo cósmico y todavía están llegando a la tierra desde todas las direcciones del cielo.

Radiación cósmica de fondo:

La física es un tema fascinante, y la cosmología deja a todos asombrados por su propia información notable sobre la tierra y el universo. Una de las cosas importantes del universo es el campo electromagnético. Se encuentra en todas las dimensiones del universo, los átomos se mantienen unidos debido al efecto del campo electromagnético. Toda nuestra vida está funcionando en función del campo magnético electromagnético, no solo a nivel atómico, incluso los seres vivos, como los seres humanos, dependen del funcionamiento del campo electromagnético. Por mucho que nos adentremos en las profundidades del universo y el espacio, descubriremos tantas cosas fascinantes que nos harán pensar en cada acción que suceda a nuestro alrededor. ¡¡No es nuestro universo misterioso !!

Y en el curso de la búsqueda en el espacio y en el tiempo más profundo, los cosmólogos han descubierto algunas cosas realmente asombrosas. Uno de los mejores descubrimientos es la radiación de fondo cósmica. Durante la década de 1960, los astrónomos se dieron cuenta de la radiación de fondo de microondas que era detectable en todas las direcciones del espacio y la llamaron Fondo de Microondas Cósmico (CMB). La existencia de esta radiación de fondo cósmico ha ayudado a informar nuestra comprensión de cómo comenzó el Universo.

No podemos visualizar la radiación cósmica de fondo a simple vista, pero está presente en todas partes del universo. Es invisible para los humanos debido a su baja temperatura, la radiación de fondo cósmico es tan fría que está a solo 2.725 grados por encima del cero absoluto, es decir, alrededor de menos 459.67 grados Fahrenheit, o menos 273.15 grados Celsius. Esto significa que su radiación es más visible en la parte de microondas del espectro electromagnético, por lo que también se conoce como radiación de fondo de microondas cósmica.

Radiación cósmica de fondo de microondas:

Entonces, ¿qué es la radiación cósmica de fondo de microondas? ¿Qué entendemos por radiación cósmica de fondo de microondas?

Los objetos celestes muy calientes (objetos presentes en el espacio), como las estrellas, son capaces de generar luz visible, que puede viajar muy lejos antes de chocar contra algo. Cuando miramos las estrellas por la noche, la luz de las estrellas puede haber viajado serenamente a través del espacio durante cientos de años. La luz de la estrella golpea tu ojo y los electrones moviéndose en tu retina, se convierte en electricidad, que se envía a lo largo del nervio óptico a tu cerebro y por lo tanto podemos ver la estrella.

Durante miles de años, los seres humanos han aspirado a comprender la estructura y la naturaleza del Universo y han buscado determinar su verdadera extensión. Pero, mientras que los filósofos antiguos creían que el mundo consistía en un disco, un zigurat o un cubo rodeado por muchos océanos celestes o algún tipo de éter (una sustancia orgánica), la tortuga que sostiene el universo y muchos más. Más tarde, el avance de la astronomía moderna les abrió los ojos a nuevas fronteras. En el siglo XX, los científicos y cosmólogos han comenzado a comprender cuán vasto (y tal vez incluso interminable) es realmente el Universo.

El universo se expande constantemente, se infla como un globo aerostático. Esto implica que las estrellas y galaxias distantes se están alejando de la tierra. Como resultado de estas transiciones, estirará su luz (luz de los cuerpos celestes) a medida que viaja a través del espacio hacia nosotros, cuanto más viaja, más se estira. Este estiramiento hará que los objetos parezcan de color rojo, cuanto más se alejan, más rojos se ven, y este efecto se conoce como corrimiento al rojo.

Si la luz viajara y se desplazara al rojo lo suficiente, la luz ya no sería visible y se convertiría en radiación primero en infrarrojos y luego en microondas. Así es como una luz extremadamente poderosa producida durante el Big Bang y después de alrededor de 13,8 mil millones de años de viaje, la luz es detectable ahora y se detecta como una forma de microondas proveniente de todas las dimensiones del espacio. Esta luz recibe además un nombre muy poderoso y grandioso de Radiación Cósmica de Fondo de Microondas y es nada menos que el resplandor del Big Bang en sí.

Sabías:

El universo no tiene un centro o borde definido, y cada parte del cosmos se expande con regularidad. Eso implica que si corremos el reloj hacia atrás, podemos averiguar exactamente cuándo estaba todo empaquetado hace 13.800 millones de años (aunque es imposible, pero de acuerdo con la teoría del cosmos es una posibilidad). Debido a que cada lugar que podemos mapear en el universo en esta fecha, ha ocupado el mismo lugar hace 13.800 millones de años. No había un lugar para el Big Bang. En cambio, sucedió en todas partes simultáneamente de una manera enorme.

Big Bang se refiere en términos generales a las teorías de la expansión cósmica y el cálido universo temprano. Sin embargo, a veces incluso los cosmólogos usarán el término para describir un momento en el tiempo en el que todo estaba empaquetado en un solo punto. El problema es que no tenemos observaciones ni teorías que describan ese momento en el que se formó el universo, que se llama propiamente (aunque torpemente) la singularidad inicial. La singularidad inicial es el punto de partida para el universo que observamos (o asumimos), pero podría haber algo que vino antes. Desvelar los misterios del universo es la parte más interesante de la cosmología.


La materia le da un giro al fondo cósmico de microondas

El fondo cósmico de microondas (CMB) es la luz discernible más antigua del Universo. Nos proporciona una fotografía de un Universo infantil: el Universo 13. Hace 7 mil millones de años. Pero esta antigua instantánea ha sido ligeramente distorsionada por la materia que interviene. A medida que los rayos de luz CMB se propagaban a través del Universo hasta nosotros, encontraron innumerables masas de materia que desviaron ligeramente su dirección por el efecto llamado "lente gravitacional". Algunos aspectos de esta lente se han observado antes, pero ahora un equipo de astrónomos que usa el Telescopio del Polo Sur (SPT) de 10 metros ha detectado por primera vez una sutil torsión en la polarización del CMB debido a la lente gravitacional. El logro, descrito en Cartas de revisión física [1], podría conducir a un mapa de la distribución de la materia en el Universo, incluida la materia oscura invisible.

El CMB a menudo se llama el "resplandor del Big Bang" porque se originó a partir del plasma ionizado caliente que llenó el Universo primitivo. Las fluctuaciones de densidad primordial en este plasma se registraron en los puntos calientes y fríos que se han observado en el CMB. Las fluctuaciones también dejaron su huella en la polarización de la luz. La última interacción que tuvieron los fotones CMB con el plasma fue la dispersión elástica (Thomson), y esto habría marcado un patrón de polarización particular. La física de la dispersión de Thomson nos dice que si miramos un anillo de luz alrededor de un punto caliente o frío en el CMB, la luz se polarizará a lo largo de líneas radiales o tangenciales, respectivamente (ver Fig. 1). Sin embargo, a medida que la luz CMB se propaga a través de un Universo abultado, las lentes gravitacionales distorsionan ligeramente estos patrones radiales / tangenciales, creando patrones que se parecen más a vórtices [2]. Los cosmólogos usan una analogía con las propiedades espaciales de los campos electromagnéticos y llaman a los patrones tangenciales / radiales polarización “eléctrica” o en modo E, ya los vórtices “magnéticos” o polarización en modo B. La polarización en modo E domina, con solo alrededor del 6% de esta polarización convertida en modo B a través de lentes gravitacionales. La Colaboración DASI fue la primera en detectar la polarización en modo E primitivo en 2002 [3]. Experimentos posteriores, incluida la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson de la NASA [4] y el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) [5], han medido la polarización en modo E con una precisión cada vez mayor. Sin embargo, la polarización en modo B no ha sido detectada hasta ahora.

La colaboración SPT (Hanson et al.) ha logrado extraer la débil señal de polarización en modo B en el CMB utilizando bolómetros sensibles a la polarización 1176 y 360 que trabajan en longitudes de onda de 2 y 3 milímetros, respectivamente. Para reducir la contaminación debido a la polarización instrumental y diversas sistemáticas, compararon su señal de polarización en modo B con una predicción del efecto de lente basada en recuentos de galaxias. Las galaxias se forman en regiones densas para que puedan decirnos dónde es alta la densidad de materia, pero solo dan una parte de la historia ya que el 80% de la materia en el Universo es materia oscura invisible. Por tanto, los astrónomos necesitan modelos complicados para convertir las observaciones de galaxias en una distribución total de materia en el cielo. La Colaboración SPT se centra en una clase particular de galaxias, que contienen una gran cantidad de granos de polvo cálido que emiten luz en longitudes de onda submilimétricas. En trabajos anteriores, los investigadores utilizaron imágenes del satélite Herschel de la ESA para identificar estas galaxias polvorientas y luego demostraron que podían estimar la materia total a lo largo de una línea de visión utilizando los datos de las galaxias [6]. Ahora usan este "mapa de materia" para predecir la cantidad de lentes gravitacionales y su efecto en la polarización del modo E que miden. Este proceso produce un mapa de polarización en modo B que se esperaría en base a los recuentos de galaxias. Cuando la Colaboración correlacionó de forma cruzada los mapas de polarización en modo B pronosticados y medidos, detectaron un alto nivel de correlación entre estos dos mapas con la significación estadística de casi ocho desviaciones estándar.

La ventaja de la polarización en modo B sobre el método tradicional de contar galaxias es que nos proporciona un mapa de alta fidelidad de la materia total, incluida la materia oscura, en lugar de una estimación indirecta basada únicamente en la materia visible, como las galaxias. Los mapas en modo B pueden complementar otros métodos de detección de materia oscura, que tienden a medir la cantidad de materia en un cúmulo de galaxias en particular oa lo largo de líneas de visión particulares. La Colaboración SPT ha abierto así una nueva ventana a la era en la que finalmente podemos "ver" la materia oscura llenando el espacio intergaláctico a través de lentes gravitacionales. Con este nuevo método, los cosmólogos esperan medir, entre otras cosas, la masa de neutrinos [7]. Dado que los neutrinos tienen masas muy pequeñas (aproximadamente 10 mil millones de veces más pequeñas que la masa del protón), generalmente se mueven demasiado rápido para ser retenidos en los potenciales gravitacionales de los cúmulos de galaxias. Por lo tanto, se esparcen de manera más uniforme, lo que lleva a una distribución de materia más suave que produce menos lentes gravitacionales y, por lo tanto, menos polarización en modo B, de lo que normalmente se podría predecir. Las mediciones de cielo completo de la polarización en modo B podrían caracterizar el nivel de suavizado y, por lo tanto, estimar la masa de neutrinos.

¿Lo que sigue? La lente gravitacional no es el único mecanismo que produce polarización en modo B. Las ondas primigenias en el espacio, llamadas ondas gravitacionales, podrían haberse producido durante el momento más temprano en el Universo [8], y también pueden producir polarización en modo B en el CMB [9]. Los modos B inducidos por ondas gravitacionales se pueden distinguir de los modos B inducidos por lentes en que los primeros deberían fluctuar en escalas angulares mucho más grandes que los segundos. Se cree que la detección de la polarización en modo B de las ondas gravitacionales primigenias proporciona evidencia definitiva del paradigma de la inflación cósmica, que establece que el Universo temprano experimentó un período de expansión rápida y acelerada justo después de su nacimiento y que las estructuras que vemos en el Universo como las estrellas, las galaxias y nosotros mismos nos originamos a partir de las fluctuaciones cuánticas producidas durante esta inflación. La polarización en modo B ofrece así una pista para la pregunta fundamental sobre el origen de nuestro propio Universo. La detección de polarización en modo B inducida por lentes no primarias por parte de SPT Collaboration es un paso significativo hacia la detección definitiva de firmas de las ondas gravitacionales primigenias de la inflación.


Stephon Alexander

El físico y músico Stephon Alexander ha atravesado los mundos de la física teórica y la música jazz durante las últimas dos décadas. Es el autor de The Jazz of Physics: The Secret Link Between Music and the Structure of the Universe. He works on the connection between the smallest and largest entities in the universe pushing Einstein's theory of curved space-time to extremes, beyond the big bang with subatomic phenomena. Alexander is a Professor of Physics at Brown University.


Contenido

1896: Charles Édouard Guillaume estimates the "radiation of the stars" to be 5.6 K. [2]

1926: Sir Arthur Eddington estimates the non-thermal radiation of starlight in the galaxy has an effective temperature of 3.2 K. [1]

1930s: Erich Regener calculates that the non-thermal spectrum of cosmic rays in the galaxy has an effective temperature of 2.8 K. [2]

1931: The term microwave first appears in print: "When trials with wavelengths as low as 18 cm were made known, there was undisguised surprise that the problem of the micro-wave had been solved so soon." Telegraph & Telephone Journal XVII. 179/1"

1938: Nobel Prize winner (1920) Walther Nernst re-estimates the cosmic ray temperature as 0.75 K. [2]

1946: The term "microwave" is first used in print in an astronomical context in an article "Microwave Radiation from the Sun and Moon" by Robert Dicke and Robert Beringer.

1946: Robert Dicke predicts a microwave background radiation temperature of 20 K (ref: Helge Kragh)

1946: Robert Dicke predicts a microwave background radiation temperature of "less that 20 K" [ clarification needed ] but later revised to 45 K (ref: Stephen G. Brush).

1946: George Gamow estimates a temperature of 50 K. [2]

1948: Ralph Alpher and Robert Herman re-estimate Gamow's estimate at 5 K. [2]

1949: Ralph Alpher and Robert Herman re-re-estimate Gamow's estimate at 28 K.

1960s: Robert Dicke re-estimates a MBR (microwave background radiation) temperature of 40 K (ref: Helge Kragh).

1965: Arno Penzias and Robert Woodrow Wilson measure the temperature to be approximately 3 K. Robert Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll and D. T. Wilkinson interpret this radiation as a signature of the Big Bang. [2]


Big Bang Theory and CMB

The Big Bang Theory is a hypothesis concerning the emergence and evolution of our universe. According to the theory, the origins of the universe can be traced back to a finite time in the past where the entirety of it was packed into a space of incredibly high density and temperature. It is referred to as the birth of the universe, as the laws of the universe that we know today started coming into existence along with the expansion of space.

The universe was extremely dense and hot in the initial stages (Photo Credit : VectorMine/ Shutterstock)

After the singularity, our universe went through various phases. Initially, the density was very high and the temperature was far too hot for the building blocks of matter to form. For instance, in these early stages, the size of the universe was about one hundred-millionth the size of the universe today and the temperature was 273 million degrees above absolute zero (absolute zero is the lowest temperature that is theoretically possible&mdashZero Kelvin). The density of matter was equally ridiculous back then, about the same as the density of air at the surface of Earth.

CMB is radiation that is a remnant of the tremendous heat of the universe&rsquos infancy. This heat did not let atoms form in the earlier stages, so they were subsequently broken down into photons and electrons. Thus the cosmic microwave background photons simply scattered off the electrons and the photons aimlessly wandered as &ldquooptical light wanders through a dense fog&rdquo.

The universe cooled down enough for atoms to form, but the wandering photons didn&rsquot interact with the hydrogen atoms and instead started traveling in straight lines. The universe became more transparent and the last photons hit matter at this time. This was 380,000 years after the Big Bang and we know this because, as we study the CMB today, it can be dated back to this time after the universe&rsquos opacity became radiation.

CMB goes back to 380,000 years after big bang (Photo Credit : Designua/Shutterstock)

This epoch is also known as &ldquothe last scattering&rdquo, analogous to how we can see through the air to the clouds, but not past the dense clouds. Thus, cosmologists can see far back to the beginning of the universe, but only after the last scattering and the apparent opacity of the universe.

The last scattering (Photo Credit : NASA)


  1. According to Alpher’s son (Alpher 2012), Gamow originally opposed the prediction of the CMB. The younger Alpher attempted to set the record straight on a number of issues dealing with the history of predictions of the CMB.
  2. While the distance traveled by the photons since last scattering is on the order of 13.8 billion light years, due to intervening expansion the distance today is far more than 13.8 billion light years.
  3. Of course, this assumes no other possible explanation for the CMB. By this reasoning, the CMB disproves biblical creation, because there is no age of decoupling in biblical creation either.
  4. Some may complain that I have not referenced any here. However, websites frequently change, and it would be a simple matter, once my criticism here is available, that many of the sites that I surveyed would be taken down.
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