Реліктове мікрохвильове випромінювання (РМВ) — теплове світіння після Великого вибуху, яке рівномірно заповнює весь спостережуваний Всесвіт при температурі 2,7255 К. Вперше випадково виявлене Пензіасом і Вілсоном у 1965 році, воно було детально картографоване супутниками COBE, WMAP і Planck. РМВ випромінювалося, коли Всесвіту було близько 380 000 років і він охолов достатньо для рекомбінації — об'єднання електронів і протонів у нейтральний водень, після чого фотони вперше отримали змогу вільно поширюватися. Мікроскопічні температурні флуктуації РМВ (на рівні 1 частини зі 100 000) кодують склад і геометрію раннього Всесвіту у кутовому спектрі потужності Cℓ.
Симулятор дозволяє дослідити спектр температурних анізотропій РМВ і те, як змінюється його форма залежно від параметрів: баріонної густини Ωb, густини холодної темної матерії Ωc та сталої Хаббла H₀. Акустичні піки виникають із звукових хвиль, що осцилювали у первинній плазмі й були «заморожені» в момент рекомбінації.
Що означають піки в спектрі потужності РМВ?
До рекомбінації Всесвіт являв собою гарячу плазму баріонів і фотонів, зв'язаних розсіянням Томсона. Гравітація стискала надщільні ділянки, а тиск фотонів чинив опір, створюючи акустичні осциляції (звукові хвилі). У момент рекомбінації ці хвилі були «заморожені» з різними фазами. Перший акустичний пік при ℓ ≈ 220 відповідає ділянкам, стиснутим один раз; другий (ℓ ≈ 540) — розрядженим один раз, тощо.
Яке кутове масштабування першого акустичного піку і що воно говорить нам?
Перший пік при ℓ ≈ 220 відповідає кутовому розміру ~1 градус — кутові відстані звукового горизонту при рекомбінації. Те, що цей пік знаходиться саме при ℓ ≈ 220, свідчить: геометрія простору майже плоска (Ωtotal ≈ 1,0). У викривленому (відкритому або замкненому) Всесвіті пік змістився б, тому РМВ є чутливим зондом глобальної геометрії.
Чому збільшення баріонної густини посилює непарні піки відносно парних?
Барони додають інерцію фотон-баріонній рідині, посилюючи стиснення (непарні піки) і послаблюючи розрядження (парні піки). Відношення висоти першого до другого піку є чутливою мірою Ωbh². Planck 2018 вимірює Ωbh² = 0,02237 ± 0,00015.
Темна матерія не взаємодіє з фотонами і не осцилює з баріон-фотонною рідиною, але сприяє загальному гравітаційному потенціалу. Вища CDM-густина поглиблює гравітаційні потенційні ями, підсилюючи всі піки. Planck вимірює Ωch² = 0,1200 ± 0,0012.
Звичайний ефект Сакса-Вольфа пояснює плато на великих кутах (малі ℓ) спектра РМВ: фотони, що виходять з первинних гравітаційних ям, втрачають енергію (гравітаційне червоне зміщення), але щільніші ділянки були гарячіші, частково компенсуючи. Нетто: δT/T ≈ δΦ/3 для адіабатичних збурень. Інтегральний ефект Сакса-Вольфа виникає, коли фотони проходять крізь потенційні ями, що змінюються з часом.
До рекомбінації дифузія фотонів розмиває флуктуації густини на масштабах, менших за довжину вільного пробігу фотонів. Масштаб загасання Сілка λD ≈ 8 Мпк при рекомбінації (ℓ ≈ 800–1000), де спектр потужності спадає за показниковим законом. Ширина цього хвоста обмежує відношення барионів до фотонів і епоху рекомбінації.
У 1964 році Пензіас і Вілсон у Bell Labs, калібруючи рупорну антену для супутникових зв'язків, виявили стійкий мікрохвильовий шум 3,5 К з усіх напрямків. Виключивши голубів у антені та інші земні джерела, вони зрозуміли (за допомогою теоретиків Дікке і Піблса), що знайшли передбачене реліктове випромінювання. Відкриття 1965 року підтвердило модель Великого вибуху і принесло Нобелівську премію 1978 року.
COBE (1989–1993) підтвердив, що РМВ є майже ідеальним чорним тілом при 2,735 К і зробив перші карти анізотропій з роздільністю 7° (Нобелівська премія 2006). WMAP (2001–2010) картографував все небо з роздільністю 0,2°, з відсотковою точністю визначивши всі основні параметри. Planck (2009–2013) досяг 5 кутових хвилин, вимірюючи спектр до ℓ ≈ 2500 з субвідсотковою точністю.
Фотони РМВ поляризуються розсіянням Томсона. Зразки поляризації розкладають на бездивергентні E-моди (від збурень густини та гравітаційних хвиль) і безротаційні B-моди (тільки від гравітаційних хвиль або лінзування E-мод). Первинні B-моди від інфляційних гравітаційних хвиль — головна мета наступних CMB-експериментів (CMB-S4, LiteBIRD). Зараз r < 0,036 (95% ДІ, BICEP/Keck 2021).
РМВ було випромінено як чорне тіло при T ≈ 3000 К при рекомбінації (z ≈ 1100). При розширенні Всесвіту в 1100 разів довжини хвиль фотонів збільшилися в стільки ж разів, знижуючи температуру до T₀ = 3000/1100 ≈ 2,73 К. FIRAS на COBE виміряв T = 2,7255 ± 0,0006 К з відхиленням від планківського спектра менше 50 частин на мільйон.
Planck 2018 вимірює Ωbh² = 0,02237 ± 0,00015 з анізотропій РМВ. Спостереження D/H ≈ 2,5 × 10−5 у квазарних системах поглинання дають незалежну оцінку Ωbh² = 0,0224 ± 0,0001. Збіг цих двох абсолютно незалежних методів з точністю 0,2% є одним з найяскравіших підтверджень стандартної космологічної моделі.