Beweise für CMB-Rotverschiebung

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Sind welche bekannt Spektrallinien um ~1100 verschoben? Wenn nicht, wie sicher ist dann der Mainstream, dass der CMB eine Rotverschiebung von ~1100 hat? Alles, was ich sehe, ist eine Schwarzkörperstrahlungskurve ohne Spektrallinien.

Die Rotverschiebung des CMB wird nicht gemessen, sondern berechnet.

Die kurze Erklärung lautet: Wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, wird es energetisch günstig, gebundene Atome zu bilden. Die Reduzierung der freien Elektronen ermöglicht es dem Universum, transparent zu werden und Photonen als schwarzes Strahlungsfeld zu entweichen und schließlich das CMB zu bilden.

Die Temperatur bei der Rekombination, $T$, kann mit gut verstandener Physik berechnet werden (siehe https://en.m.wikipedia.org/wiki/Recombination_(cosmology)) und wenn die aktuelle Temperatur $T_0$ bekannt ist, dann Rotverschiebung ist einfach durch $ z = T/T_0 -1$ gegeben.

Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung

Das Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung stellt eine wichtige Entwicklung in der modernen physikalischen Kosmologie dar. Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) wurde 1941 von Andrew McKellar bei einer effektiven Temperatur von 2,3 K unter Verwendung von CN-Sternabsorptionslinien gemessen, die von W. S. Adams beobachtet wurden. [1] Theoretische Arbeiten um 1950 [2] zeigten die Notwendigkeit eines CMB für die Konsistenz mit den einfachsten relativistischen Universumsmodellen. 1964 entdeckten der US-Physiker Arno Allan Penzias und der Radioastronom Robert Woodrow Wilson die CMB wieder und schätzten ihre Temperatur auf 3,5 K, während sie mit der Holmdel-Horn-Antenne experimentierten. [3] Die neuen Messungen wurden als wichtiger Beweis für ein heißes frühes Universum (Urknalltheorie) und als Beweis gegen die konkurrierende Steady-State-Theorie akzeptiert. [4] 1978 erhielten Penzias und Wilson für ihre gemeinsame Messung den Nobelpreis für Physik.

Universe FAQ: Gibt es Beweise für den Urknall?

Beweise für den Urknall können aus der Beobachtungsastronomie mit dem Hubble-Gesetz (Rotverschiebung von Galaxien), auch bekannt als „Doppler-Effekt“ (Roy et al. 2003), geliefert werden, bei dem die Wellenlänge des Lichts von entfernten Galaxien zum roten Ende des sichtbaren Bereichs verschoben ist Spektrum und Ergebnisse von zurückweichenden Galaxien. Hubble veröffentlichte seine Beobachtungen 1929. Sie liefern direkte Beweise dafür, dass sich die Galaxien im Universum von unserem Referenzpunkt weg beschleunigen und impliziert, dass sich das Universum ausdehnt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Expandierendes Universum. Quelle: Wikipedia Urknall.

Diese Expansion hat zu niedrigeren Temperaturen geführt, als sich das Universum im Vergleich zu den anfänglich hohen Temperaturen beim Urknall ausdehnte. Die Radioastronomie hat wesentlich zum Nachweis des Urknalls beigetragen, indem sie Funksignale von Sternen, Galaxien, Radiogalaxien, Quasaren und Pulsaren bis zurück zur Singularität oder zum Urknall entdeckte (Kaviraj, S. 2013).
Das Vorhandensein eines kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) ist ein Hinweis auf den Urknall. Penzias und Wilson entdeckten die CMB im Jahr 1965. 1992 beobachtete der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) Fluktuationen in der CMB, was erklärt, warum sich das Universum zu Galaxien und Sternen formte. Heute liegt die Durchschnittstemperatur des CMB etwa 2,7 K (Kelvin) über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 ° C) und ist ein Echo des Urknalls. Dies liegt daran, dass die Strahlung zu einer Zeit emittiert wurde, als das Universum eine Temperatur von 3000 K hatte (May et al. 2012).
Die WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)-Explorer-Mission der NASA (Abbildung 2) wurde 2001 gestartet, um die Eigenschaften des Universums zu untersuchen. WMAP hat das Alter des Universums mit hoher Genauigkeit bestimmt und die Dichte der Atome bestimmt, die den Weltraum besetzen, WMAP hat das Universumsalter von 13,7 Milliarden Jahren bestimmt und blickt auf 375 000 Jahre nach dem Urknall zurück.

Abbildung 2: Daten der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB). Kredit NASA.

Die Fülle an leichten Elementen, die durch die stellare Nukleosynthese von Helium aus Protonen und von Kohlenstoff aus Helium erzeugt werden, die beide bei sehr hohen Temperaturen im Zentrum von Sternen vorkommen, ist ein Indikator für den „Urknall“. Dieser Prozess wurde (May et al. 2012) als der einfachste und wirkungsvollste Test für die Existenz des Urknalls diskutiert. Wenn eine Beobachtung weniger Helium im Universum zeigte als erwartet, müsste das Urknallmodell revidiert werden, jedoch wurde bisher keine solche Beobachtung nachgewiesen.
Die Hauptbestandteile der Materie sind Photonen (Lichtteilchen), Protonen und Neutronen, Elektronen und ihre Antiteilchen (Positronen), Neutrinos und deren Antiteilchen (Antineutrinos), die in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen wurden.

In den frühen Stadien nach dem Urknall war das Universum undurchsichtig, bis durch die Rekombination Photonen freigesetzt wurden, die den CMB bildeten, der den Beweis für den „Urknall“, den wir heute sehen, liefert.
In weniger als 70 Jahren haben wir uns also vom Nichtwissen zu dem entwickelt, was wir heute haben.

Clarke, D. Roy, A. E. Astronomy: „Principles and Practice“ (2003), (4. Aufl.), Institute of Physics Publishing, Bristol und Philadelphia.

Kaviraj, S. „Der signifikante Beitrag kleinerer Fusionen zum kosmischen Sternentstehungsbudget“ (Gedruckt am 2. Oktober 2013, arXiv-Papier 1310:0007), Center for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, Herts, AL10 9AB, VEREINIGTES KÖNIGREICH.

Penzias, A. A. Wilson, R. W. „A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s“. Astrophysikalisches Journal, vol. 142, S. 419-421 (ApJ Homepage), Juli 1965.

Ein Kernfusionsphysiker und Astrophysiker.

BSc Physik und Ingenieurwissenschaften, MSc Kernphysik und Ingenieurwissenschaften, MSc Astrophysik, PhD Plasmaphysik

Das Universum ist anisotrop

Das „Kosmologische Prinzip“ begann als Annahme [30], soll aber jetzt durch die Glätte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) gestützt werden, der auf kleinen Winkelskalen Temperaturschwankungen von nur etwa 1 zu 100.000 aufweist. Diese hohen Multipole im CMB-Winkelleistungsspektrum werden auf Gaußsche Dichtefluktuationen zurückgeführt, die im frühen Universum mit einem nahezu skaleninvarianten Spektrum erzeugt wurden, die durch Gravitationsinstabilität gewachsen sind, um die großräumige Struktur im gegenwärtigen Universum zu schaffen. Fußnote 4 Die beobachtete Dipolanisotropie des CMB ist jedoch (sim 100) mal größer und wird vermutlich auf unsere Bewegung in Bezug auf das 'CMB-Gerüst' zurückgeführt, in dem es isotrop aussehen würde [32, 33], also heißt kinematischer Dipol. Diese Bewegung wurde dem Gravitationseffekt der inhomogenen Verteilung der Materie auf lokalen Skalen zugeschrieben, die als „Großer Attraktor“ bezeichnet wird [35]. In nachfolgenden Studien hat sich jedoch gezeigt, dass dieser „Massenfluss“ signifikant schneller ist und tiefer reicht als im (varLambda)-CDM-Modell erwartet [36,37,38,39]. Tatsächlich reicht es bis zum Shapley-Supercluster und darüber hinaus, dh bis zu (> 300) Mpc [14, 15], was weit über der Skala von (sim 100) Mpc liegt, auf der das Universum angeblich sinnvoll ist homogen nach Galaxienzählungen in groß angelegten Durchmusterungen [40, 41]. Eine Konsistenzprüfung wäre, die begleitenden Effekte der CMB-Anisotropie auf höhere Multipole zu messen [42], die Bedeutung der Detektion dieser ist jedoch auch bei den genauen Messungen des Planck-Satelliten (<3sigma) , wodurch bis zu 40% des beobachteten Dipols auf andere Effekte als unsere Bewegung zurückzuführen sind [31].

Eine weitere Sonde soll das Richtungsverhalten der Röntgenleuchtkraft-Temperatur-Korrelation von Galaxienhaufen untersuchen, die auf mehrere hundert Mpc kartiert wurden. Auch die Betrachtung des ROSAT-Katalogs von mehreren hundert Clustern zeigt eine Anisotropie in etwa gleicher Richtung bei hoher Signifikanz (>5sigma) [53, 54].

Ein unabhängiger Test wäre zu prüfen, ob sich das Bezugssystem der Materie in noch größeren Entfernungen dem des CMB annähert, dh der Dipol in der Verteilung kosmologisch entfernter Quellen, induzierte durch unsere Bewegung über spezielle relativistische Aberration und Doppler-Verschiebungseffekte, sich ausrichten sollte sowohl in Richtung als auch in Amplitude mit der aus dem CMB-Dipol abgeleiteten [44]. Dieser Test mit dem NVSS-Katalog der Radioquellen ergab jedoch ein ungewöhnlich hohes Ergebnis [45]. Dies wurde kritisiert, da es sich nicht um eine All-Sky-Durchmusterung handelte, und da die Rotverschiebungen nicht direkt gemessen werden, besteht aufgrund einer lokalen Inhomogenität die Möglichkeit einer Kontamination durch einen „Clustering-Dipol“. Die Anomalie bleibt jedoch auch dann bestehen, wenn solche Bedenken angesprochen wurden [46,47,48,49] und ist in vielen solchen Studien vorhanden, die mit verschiedenen Radiokatalogen durchgeführt wurden [50, 51]. Kürzlich wurde in diesem Zusammenhang der CatWISE-Katalog von 1,36 Millionen Quasaren (mit einer mittleren Rotverschiebung von 1,2) analysiert und die kinematische Erwartung für den Quasardipol bei (4,9sigma) verworfen – die bisher höchste Signifikanz [52]. In Kenntnis der Rotverschiebungsverteilung der Quasare konnte der erwartete Clustering-Dipol nach dem (varLambda) CDM-Modell [46] explizit berechnet und als vernachlässigbar gezeigt werden.

Abbildung 1 zeigt die Richtungen der berichteten Anisotropien – in der lokalen Massenströmung, die auf (z sim 0.1) zurückverfolgt wird, in Röntgenclustern und SNe Ia nach (z sim 1) und in Radioquellen und Quasare bei (z > 1) .

Beispiele für gerichtete Anisotropie, die in Studien zum lokalen Massenstrom berichtet wurden [14, 15, 36, 38, 39], Röntgencluster [53, 54], SNe Ia [21], Radioquellen mit hoher Rotverschiebung [49, 50] und Quasare [52]. Diese liegen alle nahe der CMB-Dipolrichtung [43], die ebenfalls markiert ist

Beweise für CMB-Rotverschiebung - Astronomie

Eine der grundlegenden Fragen der Astronomie lautet: "Wie ist das alles hierher gekommen?" (Kleinmann 1988 private Mitteilung). Dies ist eng mit Beobachtungen verbunden, die sich auf die Entstehung, Entwicklung und Verteilung von Galaxien beziehen. Zunächst entwickeln wir einige grundsätzliche Überlegungen zum „Standard“-Urknallbild, dann beschäftigen wir uns mit den relevanten Beobachtungen des extragalaktischen Universums.

Das Hubble-Erweiterung (konventionell interpretiert als Ausdehnung der Raumzeit mit mitgeführten Galaxien) und kosmologisches Prinzip zusammen implizieren eine von zwei Arten von Universum:

Es gibt mehrere unmittelbar relevante Daten, die uns bei der Auswahl des besten Wettprogramms helfen:

Die nützlichste Beschreibung kosmologischer Modelle ist die Allgemeine Relativitätstheorie. Seine geometrische Grundlage ermöglicht eine natürliche Behandlung der Lichtausbreitung entlang der Geodäsie, wodurch wir die meisten unserer Informationen erhalten. Statische Lösungen der Einstein-Gleichungen sind instabil, es sei denn, es gibt eine abstoßende Kraft, die eine von Null verschiedene kosmologische Konstante &Lambda verursacht. Eine solche Beschreibung hat zwei lokal beobachtbare Parameter im Hinblick auf das Verhalten eines Skalenfaktors R. Dies ist so definiert, dass sich die Entwicklung des Abstands zwischen zwei sich mitbewegenden Punkten (d. h. ohne besondere Geschwindigkeiten, die denen aus der kosmologischen Expansion überlagert sind) entwickelt als r₁₂ = r₀ R(t). Diese Parameter sind das Hubble-Verhältnis (nicht ganz konstant, da es sich im Allgemeinen mit der kosmischen Zeit ändert)

und der Dichte- oder Verzögerungsparameter

Für beide zeigt eine tiefgestellte 0 ihre Bewertung in der gegenwärtigen Epoche an. q hängt mit der offenen oder geschlossenen Natur des Universums zusammen. Die kritische Schließdichte ist &rho₀ = 3 H² / 8 &rhoG, wie leicht aus der Newtonschen Physik abgeleitet werden kann. Betrachten Sie ein Volumenelement von Gas in einem einheitlichen Medium der Dichte &rho im Abstand r von einem beliebigen zentralen Punkt aus. Mit einem Newtonschen Theorem wird die Gravitationsanziehung eines gleichförmigen Mediums außerhalb r hat keinen Nettoeffekt, also die Gravitationskraft aufgrund des Materials im Inneren r erzeugt ein Potenzial - GM(< r)&rho dV/r = -4G &rho r² &rho² dV/3 für die Materie im Volumenelement dV. Seine kinetische Energie für eine Hubble-ähnliche Strömung beträgt mv²/2 oder &rho dV H² r² /2. Bei kritischer Dichte ist die Nettoenergie Null oder alternativ das Material in dV ist marginal gebunden: 4 G &Pi r² &rho>² dV /3 = &rho dV H² r² /2 Dies ist für den Wert von &rho . erfüllt₀ oben gegeben. Die Dichte in Einheiten von &rho₀ wird oft mit &Omega bezeichnet. Für &Lambda=0, q = &Omega/2 damit q₀ = 1/2 ist der kritische Wert.

Enormer Aufwand wurde in die Bestimmung von H . gesteckt₀ und q₀ über "klassische" Tests mit Galaxien als Standardkerzen. Messung von H₀ wurde in der Fernskalenvorlesung besprochen. Das Problem bei der Messung des Verzögerungsparameters besteht darin, dass sich das Universum nahe der kritischen Dichte befindet, sodass Abweichungen von diesem kritischen Wert nur über so große Weglängen sichtbar werden, dass die Galaxienentwicklung zum dominierenden Faktor wird. Das wenige, was wir über die Entwicklung von Galaxien wissen, sagt, dass Galaxien keine Standardkerzen sein werden. Diese Tests sind in der Rezension von Sandage 1988 (ARA&A 26, 561) in einem beredten Zeugnis des endgültigen Scheiterns der meisten von ihnen gut dokumentiert. Diese beruhen auf der Strahlungsausbreitung in einer expandierenden Metrik und der daraus folgenden Aufschlüsselung des quadratischen Umkehrgesetzes für Intensitäten und der inversen Winkeldurchmesser-Abstands-Beziehung (mehr dazu später, was Abstand in diesem Zusammenhang bedeutet). Weitere Diskussionen zu diesen Tests finden sich in Weinberg, Gravitation und Kosmologie, Peebles, Physikalische Kosmologie, und ch. 3 von Weedman, Quasar-Astronomie.

Hubble-Diagramm oder Magnitude-Rotshift-Test. Angenommen, wir haben eine Reihe von Galaxien mit unveränderlicher und bekannter intrinsischer Helligkeit. Es ist beliebt, Radiogalaxien oder dritthellste Haufenmitglieder zu nehmen, denn dafür sind Radiogalaxien im K-Band besonders brav. Bei kleinen Rotverschiebungen macht die Hubble-Entwicklung den Betrag-log z lineare Beziehung, mit einer gewissen Streuung aufgrund von Galaxieneigenschaften und unserer Unkenntnis, wie man einen perfekt einheitlichen Satz von Galaxien auswählt. Im Höhepunkt z, kann sich die Beziehung für verschiedene q₀. Um zu sehen, wie, betrachten Sie verschiedene Entfernungsmaße zu einem Objekt mit Rotverschiebung z. Das richtiger Abstand ist das, das von einem Photon in seinem eigenen Rahmen von dort und dann nach hier und jetzt durchquert wird, das heißt D_P = 1/c × leichte Reisezeit. Das Helligkeitsabstand ist das, was das inverse-quadratische Gesetz wie in einem flachen Universum funktionieren lässt: Helligkeit/Fluss = 4 &pi D_L². Endlich, das Winkeldurchmesserabstand ist das, für das die lineare Größe-Winkelgrößen-Beziehung die bekannte Kleinwinkelform &thgr; = Länge/ hatD_EIN.

Für das Standardmodell (Friedman)

Dies ist eine von einer Reihe geschlossener Formen, die Mattig (1958 Astron. Nachr. 284, 109) in einer Demonstration analytischer Virtuosität ausgehend von der Robertson-Walker-Metrik- und Krümmungsskala in einem Friedmann-Modell ausgearbeitet hat. [Ich habe als wissbegieriger Doktorand versucht, diese Herleitung zu reproduzieren, und gab nach zwei Tagen auf, als es nicht näher kam. George Blumenthal sagte, er habe drei Tage gebraucht.] Dann haben wir... D_L = (1+z) D_P und D_EIN = D_L/(1+z)² die auf verschiedene Weise für die Spezialfälle vereinfachen q₀=0,1/2,1. Zum Beispiel, wenn q₀=1, die Lookback-Zeit &tau_PFUND = D_P/c = (H₀) -1 (z/<1+z>).

Grundsätzlich kann die Krümmung im erweiterten Hubble-Diagramm für Standardkerzen ergeben q₀ wie von Weinberg p. 448 zitiert Sandage. Eine große Neuigkeit war die Entdeckung, dass Supernovae vom Typ Ia mit hoher Rotverschiebung Hinweise auf eine Aufwärtskrümmung in der analogen Größen-Rotverschiebungs-Beziehung zeigen, was eine kosmologische Konstante ungleich Null impliziert. Objekte des Typs Ia sind] nützlich, weil sie anfangs eine enge absolute Streuung aufweisen, und ein Großteil dieser Streuung ist mit einer unabhängig messbaren Fading-Zeitskala verbunden, plus der Tatsache, dass sie alle die gleiche Art von Vorläufern haben sollten, die ihren eigenen Heavy bildeten Elemente, so dass anfängliche Metallizitätseffekte klein sein sollten. Der Beweis ist in Abb. 4 von Riess et al. (1998 AJ 116, 1009, Wiedergabe mit Genehmigung der AAS):

Die Unterschiede zwischen verschiedenen Werten von q₀ nur wichtig werden für z > 1. Die Anwendung dieses Tests auf reale Daten von Galaxien wird durch verschiedene Effekte noch komplizierter, von denen einige nicht am Supernova-Test teilnehmen. Das K-Korrektur erklärt die Tatsache, dass man bei verschiedenen Rotverschiebungen nicht mehr den gleichen Teil des Spektrums beobachtet, und die Abnahme der Photonen-Ankunftsrate (um den Faktor 1+z) selbst wenn man der gleichen Wellenlänge des emittierten Rahmens folgt mit z. Die Galaxienentwicklung, sowohl stellar als auch dynamisch, erweist sich als so stark, dass sie viel einfacher zu messen ist als q₀. Bei Haufengalaxien treten Richness-Effekte auf - bei hoher Rotverschiebung ist es einfacher, reiche Haufen auszuwählen, deren neinDie hellsten Mitglieder sind dann heller als erwartet. Es ist nicht klar, dass dies der Weg ist q₀ wegen der dominierenden Rolle der Galaxienleuchtkraft und spektralen Entwicklung.

Das Winkeldurchmesser - Rotverschiebungstest sucht nach einer Aufschlüsselung der Inversionsbeziehung zwischen Entfernung und Winkeldurchmesser einiger Standard-Meßstäbe (z. B. Galaxienisophoten oder Radiogalaxienkeulenabstände). Flächenhelligkeiten müssen beim Dimmen um korrigiert werden (1+z) 4 aufgrund von Raumausdehnung plus Photonenenergie und Ankunftszeit nimmt ab. Diese Form wurde als Test (der Tolman-Test) verwendet, dass Rotverschiebungen wirklich einer Expansion entsprechen und nicht den einst beliebten "Müdlicht"-Phänomenen (Sandage und Perelmuter 1990 ApJ 350, 481 361, 1 1991 ApJ 370 , 455, Wirth 1997 PASP 109, 344). Auch hier könnte man sich mit evolutionären Effekten bei Objekten wie Radioquellen auseinandersetzen – waren sie immer gleich groß? Zumindest bei Galaxienstrukturen hat man eine gewisse Kontrolle darüber, wie viel dynamische Evolution stattgefunden haben könnte.

Es ist interessant, dass für jeden gegebenen positiven Wert von q₀, gibt es ein Minimum im &theta(z) Beziehung für jede lineare Größe sehen Dinge bei höherer Rotverschiebung wieder größer aus, weil sie ziemlich nahe waren, als das Licht emittiert wurde. Zum q₀=1/2, der Winkeldurchmesser durchläuft ein Minimum bei z=5/4. Mit dem Analyseformular, das beispielsweise in Lang aufgeführt ist, Astrophys. Formeln, Gl. 5-314, wir haben:

(Wenn Sie damit experimentieren möchten, hier ist ein einfacher IDL-Code, der den Plot generiert hat). Dieser Effekt könnte teilweise für die großen scheinbaren Größen von Radiogalaxien mit sehr hoher Rotverschiebung verantwortlich sein (siehe Djorgovski in Fast normale Galaxien, beispielsweise). Bei der Interpretation der Größe von Objekten mit hoher Rotverschiebung kann jedoch das Dimmen der Oberflächenhelligkeit ein dominanter Effekt sein.

Galaxiezahl zählt kann verwendet werden, um die Geschichte des Volumens pro Galaxie zu verfolgen, so dass die N(z) Beziehung impliziert R(t) da der Skalierungsfaktor R skaliert als (1+z) -1 . Wenn wir eine konservierte Population über einen weiten Rotverschiebungsbereich zählen könnten, könnten wir lernen q₀ direkt aus seiner Definition. Ein früher Versuch verwendete Sechs-Farben-Mapping, um photometrische Rotverschiebungen abzuschätzen (Loh und Spillar 1986 ApJLett 307, L1). Modellieren mit einer Standard-Helligkeitsfunktion erhalten sie &Omega= 0,9 +0,7 _-0.5 aus 1000 "Feld"-Galaxien. Dies ist unabhängig von der Farbentwicklung, aber abhängig von der Helligkeitsentwicklung und die Verschmelzung dieser beiden Prozesse könnte die Anzahl der Galaxien in einem bestimmten Helligkeitsbereich mit Rotverschiebung ändern. Wie von Sandage 1988 diskutiert, sind die meisten Anwendungen dieses Tests empfindlicher für die Galaxienentwicklung als für die Kosmologie (weil das Universum alt genug ist, um hier darüber zu sprechen).

Es gibt zusätzliche Einschränkungen durch lokale (oder sogar Labor-) Beobachtungen. Am prominentesten ist die kosmischer Mikrowellenhintergrund. Dies ist das Strahlungsfeld in der Epoche der (Re-)Kombination, als das Universum erstmals transparent genug wurde, damit sich Strahlung frei über kosmologisch interessante Entfernungen ausbreiten konnte. Bei den hohen Dichten war das Strahlungsfeld dann vollständig themalisiert (schwarzer Strahler). Seitdem ist die beobachtete Temperatur aufgrund der Rotverschiebung gesunken (ein rotverschobener Schwarzkörper ist ein weiterer Schwarzkörper mit niedrigerer Temperatur). Siehe Peebles, Kapitel 7, für einige Komplikationen. Rekombination war irgendwo in der Nähe z

10 4 durch die Temperatur, bei der Wasserstoff ionisiert wird, und die beobachtete CMB-Temperatur (von der wir aus COBE wissen, dass sie 2,785 K beträgt, Mather et al. 1990 APJLett 354, L37 und Smoot et al. 1991, ApJLett 371, L1). Die CMB ist stark isotrop (mit Ausnahme eines Dipolterms, von dem angenommen wird, dass er unsere Bewegung in Bezug auf die durch die CMB-Emissionsoberfläche definierte großskalige Geschwindigkeit widerspiegelt) und peinlich glatt. Sein Spektrum ist ein so perfekter schwarzer Strahler, wie man ihn messen kann: Aus Abb. 4 von Fixsen et al. 1996 (ApJ 473, 576, mit Genehmigung des AAS),

Wir würden einige Klumpen erwarten, die Protogalaxien und -clustern entsprechen, da es schwer genug ist zu verstehen, wie sich Galaxien bilden z

5 von Inhomogenitäten bei der Rekombination. Diese wurden schließlich von der COBE-Gruppe überzeugend nachgewiesen und durch bodengestützte Beobachtungen von Teneriffa und der Antarktis sowie ballongestützten Instrumenten bestätigt. Die Schwankungen, gemessen mit einer Auflösung von wenigen Grad, liegen auf dem Niveau &Delta T /

3 × 10 -6 , was (zu den Faktoren "von der Einheitsordnung") der Dichtekontrast &Delta &rho / &rho der Fluktuationen ist. Die lineare Entwicklung von Störungen wird es nicht schnell genug schaffen, Materie zu verklumpen. Hier gibt es etwas Wichtiges, das wir über die Entstehung von Galaxien nicht wissen. Ich halte Ausschau nach nichtbaryonischer Materie, die bereits bei der Rekombination verklumpt ist und Samen für die Bildung baryonischer Strukturen liefert, aber dann könnte ich vom Gegenteil überzeugt werden, wenn etwas Ähnliches auftaucht. Die CMB war einer der größten Nachteile eines stationären Bildes. Seit der Zeit, als der Weltraum gleichmäßig mit 4000-K-Plasma gefüllt war, hat sich etwas geändert.

Die Absorption des CMB durch heißes Gas im Cluster wird erwartet (der Sunyaev-Zeldovich-Effekt) und wurde nach Jahren der Obergrenzen beobachtet - dies ist als direkte Bestätigung interessant, dass wir keinen unbekannten lokalen Effekt sehen, da der CMB von hinten kommt Cluster mit erheblicher Rotverschiebung. Beachten Sie, dass die CMB-Temperatur wie folgt skalieren sollte 1+z Messungen von niederenergetischen Feinstrukturniveaus (speziell C II * ) in QSO-Absorptionsliniensystemen zeigen tatsächlich diesen Effekt. Wie von Ge, Bechtold und Black 1997 ApJ 474, 67 (mit freundlicher Genehmigung der AAS) gezeigt,

Rückblickend war der erste Hinweis auf die CMB die Anregungstemperatur von interstellarem CN, die in Absorption bei 3874 & Aring gegen galaktische Sterne beobachtet wurde, mit Beobachtungen, die bis auf Adams 1941 zurückgehen (ApJ 93, 11 siehe Thaddeus 1972 ARA & A 10, 305 für eine ausführlichere Geschichte) . Wie von Roth, Meyer und Hawkins (1993 ApJL 413, L67) diskutiert, werden diese Linien durch Absorption von Strahlung bei 1,3 und 2,6 mm angeregt. Diese Beobachtungen haben ein gewisses philosophisches Interesse daran, die Gleichförmigkeit dieser Strahlung auf galaktischen Skalen zu zeigen.

Rotverschiebung

Wenn das Licht einer sich von Ihnen wegbewegten Galaxie beobachtet wird, erscheint die Wellenlänge des beobachteten Lichts länger, es bewegt sich in Richtung des roten Endes des Spektrums. Das nennt man ROTE SCHICHT.

Weißes Licht kann mit einem Prisma oder Beugungsgitter in seine Komponentenfarben zerlegt werden. Die Farben von kurzwellig bis lang sind

violett
Indigo
Blau
Grün
Gelb
Orange
rot

Die beobachtete Wellenlänge des Lichts ist länger, wenn sich Objekte von uns entfernen. Das Licht wird zum roten Ende des Spektrums verschoben, RED SHIFT.

Beweise für CMB-Rotverschiebung - Astronomie

Das Universum dehnt sich aus – Als bezeichnet Kosmologische Rotverschiebung .

Die Rotverschiebungsanalyse bestätigt, dass sich das Universum ausdehnt und sich die Expansionsrate beschleunigt. Der Beweis für eine beschleunigte Expansion stammt aus Beobachtungen der Helligkeit von Supernovae in der Ferne. Wir beobachten die Rotverschiebung einer Supernova, die uns sagt, um welchen Faktor sich das Universum seit der Explosion der Supernova ausgedehnt hat.

Die Rotverschiebung eines Objekts ist der Betrag, um den die Spektrallinien in der Quelle nach Rot verschoben werden. Das heißt, die Wellenlängen werden länger . Genauer gesagt ist die Rotverschiebung Z gegeben durch:

Z = [λobs-λem]/λem Z = Ho d/c (für kleine Entfernungen)

em ist die emittierte Wellenlänge einer Linie, die aus Labormessungen bekannt ist
obs ist die beobachtete Wellenlänge der Linie

Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund

Rauschen“, das in allen Richtungen im gesamten Universum gefunden wird, dieses „Rauschen“ ist die Strahlung, die vom ursprünglichen Urknall übrigblieb.

Hintergrundgeräusche" wurde 1965 von Arno Penzias und Robert Wilson, Bell Labs, zufällig entdeckt. Sie hörten ein Zischen an ihrem Radioteleskop-Empfänger und dachten nach einer Untersuchung, dass es an Taubenkot auf der Antenne lag.

Das COBE ( CO smic B Hintergrund E xplorer), der 1989 gestartet wurde, hat das Hintergrundrauschen oder die Strahlung präzise gemessen. COBE-Ergebnisse zeigten, dass die Hintergrundstrahlung genau das, was vorhergesagt wurde .

Erste Wasserstoff-Helium-Fusion

Wenn die Theorie der frühen H-He-Fusion richtig ist, sollten wir heute eine bestimmte Menge an He im Universum finden.

Die Kenntnis der aktuellen Mikrowellen-Hintergrundstrahlungstemperatur von 2,73 K ermöglichte es Astronomen, die He-Menge im Universum mathematisch vorherzusagen Helium sollte etwa 25 % der Masse des Universums ausmachen. (Dies beinhaltet keine Dunkle Materie/Dunkle Energie.) Also… wie viel Helium findet sich im Universum? 25%

Beweise für CMB-Rotverschiebung - Astronomie

Das Universum dehnt sich aus. Allein diese Tatsache legt einen Ansatzpunkt nahe. Aber im Gegensatz zur kreisförmigen Expansion, wie wir sie kennen, halten sich Astronomen an das kosmologische Prinzip:

"Auf ausreichend großen Entfernungsskalen betrachtet gibt es keine bevorzugten Richtungen oder bevorzugten Orte im Universum."

Mit anderen Worten, es gibt keinen bekannten Ursprungspunkt des Urknalls und die Ausdehnung des Universums ist relativ zur Position des Beobachters im Universum.

Je mehr wir über unser Universum erfahren, desto mehr wissen wir, dass das Universum vor etwa 13,6 Milliarden Jahren von einem einzigen Energiepunkt aus begann.

Bei den Populationen von Galaxienhaufen und Superhaufen sollte die Gravitationswechselwirkung eine Expansion verhindern, aber das tut sie nicht
Dunkle Materie (später diskutiert) spielt eine Rolle bei der Verteilung von Galaxien und macht fast 90% der gesamten Masse des Universums aus - trotzdem dehnt sich das Universum aus

Der überzeugendste Beweis: Die kosmische Hintergrundstrahlung.

Die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung beträgt etwa 2 Kelvin. Bei einer so niedrigen Temperatur ist dieser Effekt nicht das Ergebnis einer Emission von Sternen oder Galaxien. Denken Sie an komprimiertes Gas - bei seiner höchsten Verdichtung kann die Wärme sehr schnell zunehmen. Aber lassen Sie das Gas frei und die äußere Hülle kühlt schnell ab - genau wie die Cosmic Background Radiation (oder CMB - Cosmic Microwave Background Radiation).

Entkopplung ist nur ein anderer Begriff für Rekombination, wenn Elektronen an Protonen gebunden wurden.

Die Gesamttemperatur des CMB beträgt 2,735 Kelvin.

Abgesehen davon ist der CMB das einzige Objekt im Universum, das einen nahezu perfekten schwarzen Körper darstellt (ein schwarzer Körper ist ein theoretisches Objekt, das alles Licht absorbiert, das auf ihn fällt - keine Transmission oder Reflexion - jede Emission des Objekts wird 100 % des gesamten absorbierten Lichts). Schwarzkörperstrahlung ist ein Begriff, der verwendet wird, um die Auswirkungen der Strahlung von Sternen (und anderen Dingen, die Strahlung aussenden) zu untersuchen.

Um den Urknall besser zu verstehen, identifizieren wir zunächst das beteiligte Material:

Beachten Sie, dass dies Materie und Antimaterie umfasst - d.h. das Proton ist positiv und das Neutron ist nicht das Elektron dreht sich in eine Richtung, während das Positron in die andere Richtung dreht. Weitere Informationen hierzu finden Sie in der Einführung in die Quantenphysik.

Die Zeitleiste (Anmerkung: Wir haben keine Ahnung, was genau bei T = 0 Sekunden passiert ist)

T = 1/1.000.000 Sekunden - Temperatur beträgt 10 Billionen Kelvin - leichte Elemente bilden: Photonen, Quarks, Neutrinos, Elektronen (keine Protonen oder Neutronen)
T = 1/100 Sekunden - Temperatur beträgt 100 Milliarden Kelvin - Protonen und Neutronen bilden sich
T = 1/10 Sekunden - Temperatur beträgt 50 Milliarden Kelvin - Neutronen weniger stabil und wandeln sich wieder in Photonen um - 60% Protonen, 40% Neutronen - Protonen verbinden sich zu Deuterium, sind aber bei hoher Temperatur instabil - Deuterium-Engpass
T = 1 Sekunde - Temperatur beträgt 10 Milliarden Kelvin - Deuterium-Flaschenhals immer noch, jetzt 75% Protonen und 25% Neutronen
T = 14 Sekunden - Temperatur beträgt 4 Milliarden Kelvin - Deuterium-Engpass immer noch, jetzt 82 % Protonen und 18 % Neutronen
T = 3 Minuten - Temperatur jetzt unter 1 Milliarde Kelvin - Deuterium kann sich bilden (2 Protonen bilden Kern), Helium (4 Protonen) bildet sich auch

Die ersten 3 Minuten des Urknalls führten zur Nukleosynthese von Wasserstoff und Helium - ohne Elektronen. Auch während dieser Zeit nahm die Temperatur schnell ab, während die Expansion schnell zunahm.

Nun zu einer "langsameren" Entwicklung:

T = 35 Minuten - Temperatur beträgt jetzt 300 Millionen Kelvin - Temperatur noch zu heiß für Wasserstoff und Helium, um Elektronen zu binden, erhöhte Neutrinos und Antineutrinos durch Positronen-Annihilation
T = 1000 Jahre - Temperatur beträgt jetzt 100.000 Kelvin - Brücke zwischen Strahlung dominiert und Materie dominiert Universum - Dunkle Energie
T = 300.000 Jahre - Temperatur beträgt nur noch wenige tausend Kelvin - Rekombinationsübergang - Elektronen können sich jetzt mit Deuterium und Heliumkern binden' - Universum wird transparent - CMB

Vor T = 1000 Jahren dominierte Strahlung in Form von Photonen und Neutrinos das Universum. Deuterium- und Heliumkerne bildeten sich noch, aber Elektronen konnten nicht gebunden werden. Vor T = 300.000 Jahren war das Universum hauptsächlich aufgrund der dominierenden freien Elektronen undurchsichtig. Sobald der Rekombinationsübergang erreicht war, wurde das Universum transparent.

(Bildnachweis: Brooks/Cole Thomson Learning)

Astronomen untersuchen weiterhin den Urknall, indem sie Tools wie Computersimulationen der Verteilung dunkler Materie verwenden und mit dem Hubble-Weltraumteleskop tief in das frühe Universum blicken.

Fehler in der Kosmologie des müden Lichts

Es ist keine Wechselwirkung bekannt, die die Energie eines Photons abbauen kann, ohne auch seinen Impuls zu ändern, was zu einer Unschärfe entfernter Objekte führt, die nicht beobachtet werden. Insbesondere die Compton-Verschiebung funktioniert nicht.
Das müde Lichtmodell sagt nicht die beobachtete Zeitdilatation von Supernova-Lichtkurven mit hoher Rotverschiebung voraus. Diese Zeitdilatation ist eine Folge der Standardinterpretation der Rotverschiebung: Eine Supernova, deren Zerfall 20 Tage dauert, scheint 40 Tage zum Zerfall zu brauchen, wenn sie bei Rotverschiebung z=1 beobachtet wird.

2001 veröffentlichten Goldhaber und das Supernova Cosmology Project Ergebnisse einer Zeitdilatationsanalyse von 60 Supernovae. Ein Diagramm ihres Breitenfaktors w gegen die Rotverschiebung z ist unten gezeigt.

Wenn die Rotverschiebung auf einen müden Lichteffekt zurückzuführen wäre, wäre die Breite einer Supernova-Lichtkurve unabhängig von der Rotverschiebung, wie durch die rote horizontale Linie dargestellt. Wenn die Rotverschiebung auf ein expandierendes Universum zurückzuführen ist, sollte der Breitenfaktor w = (1+z) sein, wie durch die blaue Linie gezeigt. Die beste Anpassung an die Daten ist die schwarze Linie, die eindeutig mit der blauen Linie übereinstimmt und das müde Lichtmodell ausschließt. Meine beste Anpassungslinie verwendet einen robusten Schätzer der kleinsten Summe absoluter Fehler, um die Anpassung zu finden, und den Bootstrap der halben Stichprobe, um die Fehler zu schätzen. Diese Daten schließen das müde Lichtmodell um mehr als 11 Standardabweichungen aus.

Blondinet al. (2008) untersuchten ebenfalls entfernte Supernovae, verwendeten jedoch Spektren, um das Alter der Supernovae zu bestimmen. Sie fanden eine Alterungsrate, die mit dem erwarteten 1/(1+z) für expandierende Universen kompatibel war, aber 9,7 Standardabweichungen von der im müden Lichtmodell erwarteten konstanten Alterungsrate entfernt war.

Um dies zu zeigen, kann die Expansionsballon-Analogie für kosmologische Modelle verwendet werden. Die Abbildung unten zeigt die Analogie zu zwei verschiedenen Zeitpunkten.

Beachten Sie, dass die Galaxien (gelbe Kleckse) nicht wachsen, aber der Abstand zwischen den Galaxien wächst und dass sich die Photonen bewegen und von Blau nach Rot verschieben, wenn sich das Universum ausdehnt und die Photonendichte abnimmt. Aber in dem unten abgebildeten müden Lichtmodell nimmt die Dichte nicht ab.

Thus in the tired light model the energy of the CMB photons will go down but the density will not go down to match the density of a cooler blackbody.

The local Universe is transparent and has a wide range of temperatures, so it does not produce a blackbody, which requires an isothermal absorbing situation. So the CMB must have come from a far away part of the Universe, and its photons will thus lose energy by the tired light effect. The plot below shows what happens if the CMB comes from z = 0.1.

Assume that the CMB starts out as a T = (1+z)*T o = 2.998 K blackbody, which is the blue curve. Because the photons only lose energy but do not decrease their density, the resulting red curve is not a blackbody at T o = 2.725, but is instead (1+z) 3 = 1.331 times a blackbody. The FIRAS data limit this prefactor to 1.00001+/-0.00005, which requires that the CMB come from redshifts less than 0.00005, or distances less than 0.25 Mpc. This is less than the distance to the Andromeda Galaxy M31, and we know the Universe is transparent well beyond this distance. In fact, since millimeter wave emission is observed to come from galaxies at redshifts of 4.7 or higher, the tired light model fails this test by 100,000 standard deviations. Note that the CMB cannot be redshifted starlight. Some diehards refuse to face these facts, and continue to push tired light models of the CMB, but these models do not agree with the observations.

Evidence of CMB redshift - Astronomy

The first light radiated after decoupling is now known as the CMB .

During the first 380,000 years after the Big Bang, the universe was so hot that all matter existed as plasma. During this time, photons could not travel undisturbed through the plasma because they interacted constantly with the charged electrons and baryons, in a phenomenon known as Thompson Scattering. As a result, the universe was opaque.

As the universe expanded and cooled, electrons began to bind to nuclei, forming atoms. The introduction of neutral matter allowed light to pass freely without scattering. This separation of light and matter is known as decoupling. The light first radiated from this process is what we now see as the Cosmic Microwave Background. Similarly, in the video below, the precipitate in a solution of magnesium hydroxide scatters light from a flashlight, making it opaque to radiation.

Why is the CMB so Cold?

Light from the CMB is redshifted as the universe expands, cooling it over time.

By the time the light reaches us, 14 billion years later, we observe it as low-energy microwaves at a frigid 2.7 K (-450° F). This is why CMB is so cold now.

The expansion of space cools down the CMB .

What do the Colors on the CMB Map Represent?

Although the temperature of the CMB is almost completely uniform at 2.7 K, there are very tiny variations, or anisotropies, in the temperature on the order of 10 -5 K. The anisotropies appear on the map as cooler blue and warmer red patches. But what do these minute fluctuations mean?

Map of the CMB created from data gathered by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).

These anisotropies in the temperature map correspond to areas of varying density fluctuations in the early universe. Eventually, gravity would draw the high-density fluctuations into even denser and more pronounced ones. After billions of years, these little ripples in the early universe evolved, through gravitational attraction, into the planets, stars, galaxies, and clusters of galaxies that we see today.

Why are Maps of the CMB Shaped like Ovals?

The spherical map of the CMB translates to an oval in the same way a globe translates to a familiar oval map when flattened.

To see why this is true, peel an orange and try to flatten it. The only way you can accomplish this is by tearing the peel, or distorting it. Instead of "tearing" the map of the CMB , it is depicted as an oval, which is the shape with the least angular distortion of the original sphere.

The Predictive Power of the CMB

In 1992, physicists used the orbiting COBE satellite to make the first detailed measurements of the CMB anisotropy.

Methoden

The method presented here is fairly straightforward. We begin by using a publicly available catalogue of filaments constructed from the Sloan Digital Sky Survey Data Release 12 galaxy survey 51,52 . Such a catalogue is built using the Bisous algorithm 43 , which identifies curvilinear structures in the galaxy distribution. The Bisous algorithm is not astronomy specific and was developed to identify roads in satellite imaging 53,54,55 . Each filament is approximated by a cylinder with a given axis that makes a viewing angle ϕ with the line of sight. Our hypothesis rests on the assumption that if filaments rotate, then there should be a statistically significant component of a galaxy’s velocity that is perpendicular to the filament spine. Furthermore, this component should have opposite signs on either side of the filament spine: one receding and one approaching. To detect such a signal in principle, we would only want to examine filaments whose spine is perpendicular to the line of sight such that a galaxy’s redshift (a proxy for the radial component of its velocity) would coincide with its angular velocity. However, restricting the filament sample this way dramatically reduces the sample size. Therefore, we divide the filament catalogue according to viewing angle into three bins: all filaments irrespective of viewing angle, those inclined by more than 60° (cosϕ < 0.5) with respect to the line of sight, and those dynamically cold (see below) and with a viewing angle more than

80° (cosϕ < 0.2). This last sample is chosen for the reason that filaments inclined by more than

80° are perpendicular enough that the measured value of z_r.m.s./Δz_AB is probably a good approximation to the inherent one. A consequence of this is that there are more cold filaments with z_r.m.s./Δz_AB < 1 than hot filaments with z_r.m.s./Δz_AB > 1 inclined by cosϕ < 0.2. In Supplementary Section 1, the effect of viewing angle is examined in more detail. We find that the filaments whose spines are closer to perpendicular to the line of sight have more significant rotation signals.

Each filament axis delineates two regions on either side of the filament spine. The Bisous filament’s have an inherent scale of around 1 Mpc. However, all galaxies that are within a 2 Mpc distance from the filament axis are considered to be in one of these two regions. Galaxies farther afield are not considered. We note that most of the galaxies that are within 2 Mpc are within 1 Mpc and that including galaxies farther away from the filament spine will ‘dilute’ the signal as the regions farther from the filament axis will, by construction, include random interlopers.

The mean redshift of galaxies in both regions is calculated. The region with the greater mean redshift is arbitrarily called region A and the region with smaller mean redshift is called region B. The redshift difference Δz_AB = 〈z_EIN〉 − 〈z_B〉 is computed. The relative speed is then simply μ = cΔz_AB , wo c is the speed of light. Next we examine whether the filament is dynamically hot or cold by using the redshift z of all galaxies in each filament to compute the r.m.s. namely z_r.m.s.. This is then compared with Δz_EIN. Dynamically hot filaments have z_r.m.s. > Δz_EIN while cold filaments have r.m.s. values less than the redshift difference. Such a definition precludes the ability to search for a signal consistent with rotation in hot filaments since it is by definition flawed to ascribe a physical significance to a Δz_AB if it is less than z_r.m.s.. Thus, we do not expect to be able to find a discernible rotation signal in dynamically hot filaments.

A lower limit on the number of galaxies in each region of A and B of each filament must be assumed. Without such a limit, we would introduce pathological cases into the analysis, namely filaments with no or just one or two galaxies in region A or B. Therefore, we only consider filaments with at least three galaxies in each region—it is difficult to justify the computation of an r.m.s. for anything less than this. The three galaxies per region A and B is a conservative choice and is the least arbitrary limit that can be applied. Despite this choice, the signal is examined as a function of galaxy number in Supplementary Section 1. In sum: increasing the minimum number of galaxies in each region decreases the sample size and increases the significance of the measured signal.The final fiducial sample consists of 17,181 filaments, and 213,625 galaxies in total.

A statistical significance to each measured value of Δz_AB must be obtained to ensure that the measured signal is not simply the result of stochasticity. In other words, we wish to ask the question ‘What is the chance that the observed distribution or Δz_AB could be reproduced given a random distribution of redshifts (in a given filament)?’ To answer this question, the following test is performed. The redshifts of all galaxies in a given filament are randomly shuffled, keeping the position fixed. This is performed 10,000 times per filament. In the poorest filaments with only 6 galaxies (say), there are less than 10,000 unique permutations. However, performing this test 10,000 times, although redundant, will not affect the determination of the significance. For each of these trials, the procedure described above is carried out: namely two regions are defined, their mean redshifts are measured and (<>_<< m>>^<< m>>) is computed. The observed Δz_EIN can then be compared with the distribution of random (<>_<< m>>^<< m>>) on a filament-by-filament basis. The chance that a measured Δz_EIN is consistent with random can then be quantified by where (how many standard deviations from the mean) the measured Δz_AB is in the distribution of (<>_<< m>>^<< m>>) .