Спектр потужності CMB: Звукові хвилі, заморожені при рекомбінації

Уявлення про дитяче фото всесвіту

Приблизно 380 000 років після Великого вибуху Всесвіт охолов достатньо, щоб електрони та протони об’єдналися в нейтральний водень – подія, що називається рекомбінацією. До цього моменту фотони постійно розсіювалися від вільно плаваючих електронів, і Всесвіт був непрозорим плазмовим туманом; після цього вони почали вільно рухатися, і досі рухаються як космічне мікрохвильове фонового випромінювання (CMB), майже ідеальний чорний тіло з температурою 2.725 K, яке заповнює все небо. Оскільки це своєрідне «знімок» Всесвіту в дуже ранній момент, незначні коливання температури в CMB – лише приблизно 1 на 100 000 – кодують щільні флуктуації, які пізніше стали насінням для всіх галактик, кластерів та порожнин, що ми спостерігаємо сьогодні.

Звукові хвилі у ранньому Всесвіті

До рекомбінації звичайний (барйонічний) матеріал та фотони були тісно пов'язані в єдину рідину, яка підтримувала справжні звукові хвилі: гравітація тягнула матерію у більш щільні області, а тиск фотонів відштовхував назад, створюючи стаціональні акустичні коливання. Кожне початкове збудження щільності від інфляції звучало як дзвінок на певній частоті, що визначалася її розміром, і патерн максимального стиснення або розрідження, який спостерігався в момент рекомбінації – коли звукові хвилі раптово застигли у вигляді випромінених фотонів – безпосередньо відбитий на карті температури неба.

Інтерпретація спектру потужності

Замість розглядати необроблену карту температури, космологи розкладають мілі температурні флуктуації на сферичні гармоніки (це своєрідний для неба перетворення Фур'є) та побудовують графік дисперсії на кожній кутовій шкалі — спектр потужності реляктору CMB, температура дисперсії проти мультипольного моменту ℓ, де більші значення ℓ відповідають меншим кутовим масштабам на небі.

ΔT(θ,φ) = Σ a_lm Y_lm(θ,φ) розкладання на сферичні гармоніки C_l = ⟨|a_lm|²⟩ потужність при мультиполі l (≈ кутовий масштаб 180°/l) акустичні піки спостерігаються при l ≈ 220, 540, 800, ... (приблизно гармонічний ряд) Результатом є серія хвиль (акустичних піків) та їх положення і висоти є цінним джерелом інформації. Розташування першого піку (близько ℓ ≈ 220) визначає загальну геометрію простору: плоский всесвіт розміщує його точно там, тоді як закритий або відкритий всесвіт зміщує його, що й стало першими сильними доказами того, що простір геометрично плоский з високою точністю.

ΔT(θ,φ) = Σ a_lm Y_lm(θ,φ)      spherical-harmonic decomposition
C_l = ⟨|a_lm|²⟩                  power at multipole l  (≈ angular scale 180°/l)

acoustic peaks appear at l ≈ 220, 540, 800, ...  (roughly harmonic series)

Що показують висоти піків

Відносні висоти послідовних піків розрізняють різні види матерії. Барони (звичайну матерію) додають інерцію до фотонно-баронного рідини, що посилює стиснення піків (непарних) порівняно з розрідженнями (парних) — таким чином співвідношення між висотою першого та другого піків визначає щільність баронів. Темна матерія не взаємодіє з фотонами, але вона знаходиться в гравітаційних ямах, які керують коливаннями, і більша кількість темної матерії пригнічує піки на вищих ℓ порівняно з першим — таким чином загальні амплітуди піків та їх швидкість затухання обмежують загальну щільність темної матерії. А точна міжпікова мультипольна відстань залежить від кутової розміри горизонту звуку, яка залежить від історії розширення Всесвіту — даючи змогу визначити постійну Хаббла незалежно від вимірювань за місцевою драбиною відстаней.

Це саме те, що супутники Planck та WMAP до цього перед ними витратили роки на вимірювання з точністю до 0,1%, і тому, коли ми регулюємо параметри щільності баронів, темної матерії та постійної Хаббла в симуляції CMB, піки помітно змінюються: кожен параметр має чіткий, відособлений відбиток на тій самій кривій, що робить CMB одним з найбільш інформативних наборів даних у космології.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте CMB і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.