In der Kosmologie ist Radiation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) (auch CMBR, CBR, MBR und Reliquie-Radiation) Thermalradiation, die das erkennbare Weltall fast gleichförmig füllt.

Mit einem traditionellen optischen Fernrohr ist der Raum zwischen Sternen und Milchstraßen (der Hintergrund) völlig dunkel. Jedoch zeigt ein genug empfindliches Radiofernrohr ein schwaches Hintergrundglühen, fast genau dasselbe in allen Richtungen, das mit keinem Stern, Milchstraße oder anderem Gegenstand vereinigt wird. Dieses Glühen ist im Mikrowellengebiet des Radiospektrums am stärksten. Die serendipitous Entdeckung des CMB 1964 durch amerikanische Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson war der Höhepunkt der Arbeit begonnen in den 1940er Jahren, und hat sie der 1978-Nobelpreis verdient.

Kosmische Hintergrundradiation wird als Radiation verlassen von einer frühen Bühne in der Entwicklung des Weltalls gut erklärt, und seine Entdeckung wird als ein merklicher Test des Urknall-Modells des Weltalls betrachtet. Als das Weltall jung war, vor der Bildung von Sternen und Planeten war es kleiner, viel heißer, und hat sich mit einem gleichförmigen Glühen von seinem weißglühenden Nebel von Wasserstoffplasma gefüllt. Da sich das Weltall ausgebreitet hat, sind sowohl das Plasma als auch die Radiation, die es füllt, kühler gewachsen. Als das Weltall genug kühl geworden ist, konnten Protone und Elektronen neutrale Atome bilden. Diese Atome konnten die Thermalradiation nicht mehr absorbieren, und das Weltall ist durchsichtig geworden, anstatt ein undurchsichtiger Nebel zu sein. Kosmologen beziehen sich auf den Zeitabschnitt, wenn neutrale Atome zuerst gebildet als das Wiederkombinationszeitalter und das Ereignis kurz danach Fotonen, die anfangen, frei durch den Raum zu reisen, anstatt sich ständig mit Elektronen und Protonen in Plasma zu zerstreuen, Foton-Entkoppeln mit dem Satz von Punkten in der Zeit und Raum genannt werden, wo Fotonen begonnen haben, frei zu reisen, die Oberfläche des letzten Zerstreuens genannt. Die Fotonen, die zur Zeit des Foton-Entkoppelns bestanden haben, haben sich seitdem fortgepflanzt, obwohl, schwächer und weniger energisch wachsend, da die Vergrößerung des Raums ihre Wellenlänge veranlasst, mit der Zeit zuzunehmen (und Wellenlänge zur Energie gemäß der Beziehung von Planck umgekehrt proportional ist). Das ist die Quelle für die abwechselnde Begriff-Reliquie-Radiation.

Genaue Maße der kosmischen Hintergrundradiation sind zur Kosmologie kritisch, da jedes vorgeschlagene Modell des Weltalls diese Radiation erklären muss. Der CMBR hat ein schwarzes Thermalkörperspektrum bei einer Temperatur von 2.725 K, die an der Mikrowellenreihe-Frequenz von 160.2 GHz entsprechend einer 1.873-Mm-Wellenlänge kulminiert. Das, hält wenn gemessen, pro Einheitsfrequenz, als im Gesetz von Planck. Wenn gemessen, stattdessen pro Einheitswellenlänge, mit dem Gesetz von Wien, ist die Spitze an 1.06 Mm entsprechend einer Frequenz von 283 GHz.

Das Glühen ist sehr fast in allen Richtungen gleichförmig, aber die winzigen restlichen Schwankungen zeigen ein sehr spezifisches Muster, das dem gleich ist, das eines ziemlich gleichförmig verteilten heißen Benzins erwartet ist, das sich zur aktuellen Größe des Weltalls ausgebreitet hat. Insbesondere das Raummacht-Spektrum (wie viel Unterschied dagegen beobachtet wird, wie weit einzeln die Gebiete auf dem Himmel sind) enthält kleinen anisotropies oder Unregelmäßigkeiten, die sich mit der Größe des untersuchten Gebiets ändern. Sie sind im Detail gemessen worden, und vergleichen, was erwartet würde, wenn sich kleine Thermalschwankungen, die durch Quant-Schwankungen der Sache in einem sehr winzigen Raum erzeugt sind, zur Größe des erkennbaren Weltalls ausgebreitet hatten, sehen wir heute. Das ist noch ein sehr aktives Studienfach mit Wissenschaftlern, die beide besseren Daten (zum Beispiel, das Raumfahrzeug von Planck) und bessere Interpretationen der anfänglichen Bedingungen der Vergrößerung suchen.

Obwohl viele verschiedene Prozesse die allgemeine Form eines schwarzen Körperspektrums, kein Modell anders erzeugen könnten, als der Urknall noch die Schwankungen erklärt hat. Infolgedessen denken die meisten Kosmologen, dass das Urknall-Modell des Weltalls die beste Erklärung für den CMBR ist.

Eigenschaften

Die Radiation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) ist eine Emission des gleichförmigen, schwarzen Körpers Thermalenergie, die aus allen Teilen des Himmels kommt. Die Radiation ist zu ungefähr einem Teil in 100,000 isotropisch: Die Wurzel Mittelquadratschwankungen ist nur 18 µK, nach dem Abziehen eines Dipols anisotropy von der Verschiebung von Doppler der Hintergrundradiation. Der Letztere wird durch die eigenartige Geschwindigkeit der Erde hinsichtlich des comoving kosmischen Rest-Rahmens verursacht, weil der Planet an ungefähr 627 km/s zur Konstellation Jungfrau bewegt.

Im Urknall-Modell für die Bildung des Weltalls sagt Inflationskosmologie voraus, dass nach ungefähr 10 Sekunden das werdende Weltall Exponentialwachstum erlebt hat, das fast alle Inhomogenitäten weggeräumt hat. Die restlichen Inhomogenitäten wurden durch Quant-Schwankungen im inflaton Feld verursacht, das das Inflationsereignis verursacht hat. Nach 10 Sekunden wurde das frühe Weltall aus einem heißen, aufeinander wirkenden Plasma von Fotonen, Elektronen und baryons zusammengesetzt. Da sich das Weltall ausgebreitet hat, hat adiabatische Kühlung das Plasma veranlasst, Energie zu verlieren, bis es günstig für Elektronen geworden ist, um sich mit Protonen zu verbinden, Wasserstoffatome bildend. Dieses Wiederkombinationsereignis ist geschehen, als die Temperatur ungefähr 3000 K war, oder als das Weltall etwa 379,000 Jahre alt war. An diesem Punkt haben die Fotonen nicht mehr mit den jetzt elektrisch neutralen Atomen aufeinander gewirkt und haben begonnen, frei durch den Raum zu reisen, auf das Entkoppeln der Sache und Radiation hinauslaufend.

Die Farbtemperatur der decoupled Fotonen hat fortgesetzt, sich seitdem zu vermindern; jetzt unten zu wird ihre Temperatur fortsetzen zu fallen, als sich das Weltall ausbreitet. Gemäß dem Urknall-Modell kommt die Radiation vom Himmel, den wir heute messen, aus einer kugelförmigen Oberfläche genannt die Oberfläche des letzten Zerstreuens. Das vertritt den Satz von Positionen im Raum, an dem, wie man schätzt, das Entkoppeln-Ereignis vorgekommen ist und an einem rechtzeitig solchem Punkt, dass die Fotonen von dieser Entfernung gerade Beobachter erreicht haben. Der grösste Teil der Strahlenenergie im Weltall ist im kosmischen Mikrowellenhintergrund, einen Bruchteil grob der Gesamtdichte des Weltalls zusammensetzend.

Zwei der größten Erfolge der Urknall-Theorie sind seine Vorhersage des fast vollkommenen schwarzen Körperspektrums und seine ausführliche Vorhersage des anisotropies im kosmischen Mikrowellenhintergrund. Das CMB Spektrum ist das am genausten gemessene schwarze Körperspektrum in der Natur geworden.

Geschichte

Der kosmische Mikrowellenhintergrund wurde zuerst 1948 von Ralph Alpher und Robert Herman vorausgesagt. Alpher und Herman sind im Stande gewesen zu schätzen, dass die Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds 5 K war, obwohl zwei Jahre später sie es auf 28 K wiedergeschätzt haben. Diese hohe Schätzung war wegen einer Mis-Schätzung von Hubble, der durch Alfred Behr unveränderlich ist, der nicht wiederholt werden konnte und später für die frühere Schätzung verlassen wurde. Obwohl es mehrere vorherige Schätzungen der Temperatur des Raums gab, haben diese unter zwei Fehlern gelitten. Erstens waren sie Maße der wirksamen Temperatur des Raums und haben nicht darauf hingewiesen, dass Raum mit einem Thermalspektrum von Planck gefüllt wurde. Dann hängen sie davon ab, dass wir an einem speziellen Punkt am Rand der Milchstraße-Milchstraße sind, und sie haben nicht darauf hingewiesen, dass die Radiation isotropisch ist. Die Schätzungen würden sehr verschiedene Vorhersagen nachgeben, wenn Erde zufällig anderswohin im Weltall gelegen würde.

Die 1948-Ergebnisse von Alpher und Herman wurden in vielen Physik-Einstellungen ungefähr im Laufe 1955 besprochen, als beide das Angewandte Physik-Laboratorium an der Universität von Johns Hopkins verlassen haben. Die astronomische Hauptströmungsgemeinschaft wurde jedoch zurzeit durch die Kosmologie nicht gefesselt. Alpher und die Vorhersage von Herman wurden von Yakov Zel'dovich am Anfang der 1960er Jahre wieder entdeckt, und unabhängig von Robert Dicke zur gleichen Zeit vorausgesagt. Die erste veröffentlichte Anerkennung der CMB Radiation als ein feststellbares Phänomen ist in einem kurzen Vortrag von sowjetischen Astrophysikern A. G. Doroshkevich und Igor Novikov im Frühling 1964 erschienen. 1964 haben David Todd Wilkinson und Peter Roll, die Kollegen von Dicke an der Universität von Princeton, begonnen, einen Dicke radiometer zu bauen, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu messen. 1965, Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson an der Position von Crawford Hill von Glockentelefonlaboratorien in der nahe gelegenen Holmdel Stadtgemeinde, hatte New Jersey einen Dicke radiometer gebaut, dass sie vorgehabt haben, für die Radioastronomie und Satellitenverkehr-Experimente zu verwenden. Ihr Instrument hatte eine K 3.5 Überantenne-Temperatur, für die sie nicht verantwortlich sein konnten. Nach dem Empfang eines Anrufs von Crawford Hill hat Dicke berühmt gewitzelt: "Jungen, wir sind geschöpft worden." Eine Sitzung zwischen den Gruppen von Princeton und Crawford Hill hat beschlossen, dass die Antenne-Temperatur tatsächlich wegen des Mikrowellenhintergrunds war. Penzias und Wilson haben den 1978-Nobelpreis in der Physik für ihre Entdeckung erhalten.

Die Interpretation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds war ein umstrittenes Problem in den 1960er Jahren mit einigen Befürwortern der unveränderlichen Zustandtheorie behauptend, dass der Mikrowellenhintergrund das Ergebnis des gestreuten Sternenlichtes von entfernten Milchstraßen war. Mit diesem Modell, und gestützt auf der Studie von schmalen Absorptionslinieneigenschaften in den Spektren von Sternen hat der Astronom Andrew McKellar 1941 geschrieben: "Es kann berechnet werden, dass die 'Rotationstemperatur' des interstellaren Raums 2 K." Jedoch während der 1970er Jahre ist, wurde die Einigkeit gegründet, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund ein Rest des Urknalls ist. Das war größtenteils, weil neue Maße an einer Reihe von Frequenzen gezeigt haben, dass das Spektrum ein thermisches, schwarzes Körperspektrum, ein Ergebnis war, das das unveränderliche Zustandmodell unfähig war wieder hervorzubringen.

Harrison, Peebles, Yu und Zel'dovich haben begriffen, dass das frühe Weltall Inhomogenitäten am Niveau 10 oder 10 würde haben müssen. Rashid Sunyaev hat später den erkennbaren Abdruck berechnet, den diese Inhomogenitäten auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund haben würden. Immer strengere Grenzen auf dem anisotropy des kosmischen Mikrowellenhintergrunds wurden durch gestützte Experimente des Bodens während der 1980er Jahre festgelegt. RELIKT-1, ein sowjetischer kosmischer Mikrowellenhintergrund anisotropy Experiment an Bord Prognoz 9 Satellit (gestartet am 1. Juli 1983) hat obere Grenzen auf dem groß angelegten anisotropy vorgeschrieben. Die NASA COBE Mission hat klar den primären anisotropy mit dem Radiometer Differenzialmikrowelleninstrument bestätigt, ihre Ergebnisse 1992 veröffentlichend. Die Mannschaft hat den Nobelpreis in der Physik für 2006 für diese Entdeckung erhalten.

Begeistert durch die COBE-Ergebnisse hat eine Reihe des Bodens und der Ballon-basierten Experimente kosmischen Mikrowellenhintergrund anisotropies auf kleineren winkeligen Skalen im Laufe des nächsten Jahrzehnts gemessen. Die primäre Absicht dieser Experimente war, die Skala der ersten akustischen Spitze zu messen, welcher COBE genügend Entschlossenheit gegenüber der Entschlossenheit nicht hatte. Diese Spitze entspricht in großem Umfang Dichte-Schwankungen im frühen Weltall, die durch Gravitationsinstabilitäten geschaffen werden, auf akustische Schwingungen im Plasma hinauslaufend. Die erste Spitze im anisotropy wurde durch das Experiment von Toco versuchsweise entdeckt, und das Ergebnis wurde von BOOMERanG und MAXIMUM-Experimenten bestätigt. Diese Maße haben demonstriert, dass die Geometrie des Weltalls ungefähr flach, aber nicht gebogen ist. Sie haben kosmische Schnuren als ein Hauptbestandteil der kosmischen Struktur-Bildung ausgeschlossen und haben darauf hingewiesen, dass kosmische Inflation die richtige Theorie der Struktur-Bildung war.

Die zweite Spitze wurde durch mehrere Experimente versuchsweise entdeckt, bevor sie durch WMAP endgültig entdeckt wird, der auch die dritte Spitze versuchsweise entdeckt hat. Bezüglich 2010 sind mehrere Experimente, um Maße der Polarisation und des Mikrowellenhintergrunds auf kleinen winkeligen Skalen zu verbessern, andauernd. Diese schließen DASI, WMAP, BOOMERanG, QUaD, Raumfahrzeug von Planck, Atacama Kosmologie-Fernrohr, Südpol-Fernrohr und das RUHIGE Fernrohr ein.

Beziehung zum Urknall

Die kosmische Mikrowellenhintergrundradiation und die kosmologische Rotverschiebung werden als die besten verfügbaren Beweise für die Urknall-Theorie zusammen betrachtet. Maße des CMB haben die Inflationsurknall-Theorie das Standardmodell der frühsten Zeitalter des Weltalls gemacht. Die Entdeckung des CMB Mitte der 1960er Jahre hat Interesse an Alternativen wie die unveränderliche Zustandtheorie verkürzt.

Die Urknall-Theorie sagt voraus, dass die anfänglichen Bedingungen für das Weltall in der Natur ursprünglich zufällig sind, und Inhomogenitäten grob Wahrscheinlichkeitsvertrieb von Gaussian folgen, die, wenn grafisch dargestellt, im Querschnitt, Glockenkurven bilden. Durch das Analysieren dieses Vertriebs an verschiedenen Frequenzen wird ein geisterhaftes Dichte- oder Macht-Spektrum erzeugt. Das Macht-Spektrum dieser Schwankungen ist berechnet worden, und stimmt mit den Beobachtungen überein. Das resultierende Standardmodell des Urknalls verwendet Gaussian zufälliges Feld mit fast Skala invariant oder Spektrum von Harrison-Zel'dovich, um die urzeitlichen Inhomogenitäten zu vertreten.

Bestimmte observables, zum Beispiel der gesamte Umfang der Schwankungen, sind mehr oder weniger freie Rahmen des kosmischen Inflationsmodells. Deshalb müssen bedeutungsvolle Behauptungen über die Inhomogenitäten im Weltall in der Natur statistisch sein. Das führt zu kosmischer Abweichung, in der die Unklarheiten in der Abweichung von Schwankungen an der größten beobachteten Skala schwierig sind, sich mit der Theorie genau zu vergleichen.

Temperatur

Der CMB gibt einen Schnellschuss des Weltalls, als, gemäß der Standardkosmologie, die Temperatur genug gefallen ist, um Elektronen und Protonen zu erlauben, Wasserstoffatome zu bilden, so das zur Radiation durchsichtige Weltall machend. Als es ungefähr 380,000 Jahre entstanden ist, nachdem der Urknall — dieses Mal als die "Zeit des letzten Zerstreuens" oder die Periode der Wiederkombination oder des Entkoppelns allgemein bekannt ist — war die Temperatur des Weltalls ungefähr 3000 K. Das entspricht einer Energie von ungefähr 0.25 eV, die viel weniger ist als die 13.6 eV Ionisationsenergie von Wasserstoff.

Seit dem Entkoppeln ist die Temperatur der Hintergrundradiation durch einen Faktor von ungefähr 1,100 wegen der Vergrößerung des Weltalls gefallen. Als sich das Weltall ausbreitet, sind die CMB Fotonen redshifted, das Machen der zu einem Parameter umgekehrt proportionalen Temperatur der Radiation hat die Skalenlänge des Weltalls genannt. Wie man zeigen kann, ist die Temperatur T des CMB als eine Funktion der Rotverschiebung, z, zur Temperatur des CMB, wie beobachtet, am heutigen Tag (2.725 K oder 0.235 meV) proportional:

:T = 2.725 (1 + z)

Für Details über das Denken, dass die Radiation Beweise für den Urknall ist, sieh Kosmische Hintergrundradiation des Urknalls.

Primärer anisotropy

Der anisotropy des kosmischen Mikrowellenhintergrunds wird in zwei Sorten geteilt: Primärer anisotropy, wegen Effekten, die an der letzten sich zerstreuenden Oberfläche und vorher vorkommen; und sekundärer anisotropy, wegen Effekten wie Wechselwirkungen der Hintergrundradiation mit heißen Gas- oder Gravitationspotenzialen, die zwischen der letzten sich zerstreuenden Oberfläche und dem Beobachter vorkommen.

Die Struktur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds anisotropies wird durch zwei Effekten hauptsächlich bestimmt: Akustische Schwingungen und Verbreitungsdämpfung (hat auch Collisionless-Dämpfung oder Seidendämpfung genannt). Die akustischen Schwingungen entstehen wegen einer Konkurrenz im Plasma des Fotons-baryon im frühen Weltall. Der Druck der Fotonen neigt dazu, anisotropies zu löschen, wohingegen die Gravitationsanziehungskraft des baryons — sich mit Geschwindigkeiten viel langsamer bewegend, als Licht — sie dazu neigen lässt zusammenzubrechen, um dichte Ringe zu bilden. Diese zwei Effekten bewerben sich, um akustische Schwingungen zu schaffen, die dem Mikrowellenhintergrund seine charakteristische Maximalstruktur geben. Die Spitzen entsprechen grob zur Klangfülle, in der die Fotonen decouple wenn eine besondere Weise an seinem Maximalumfang ist.

Die Spitzen enthalten interessante physische Unterschriften. Die winkelige Skala der ersten Spitze bestimmt die Krümmung des Weltalls (aber nicht die Topologie des Weltalls). Die folgende Spitze — das Verhältnis der sonderbaren Spitzen zu sogar Spitzen — bestimmt die reduzierte baryon Dichte. Die dritte Spitze kann verwendet werden, um Information über die dunkle Sache-Dichte zu ziehen.

Die Positionen der Spitzen geben auch wichtige Information über die Natur der primordialen Dichte-Unruhen. Es gibt zwei grundsätzliche Marken von Dichte-Unruhen — hat adiabatisch und isocurvature genannt. Eine allgemeine Dichte-Unruhe ist eine Mischung von beiden und verschiedene Theorien, die vorgeben zu erklären, das primordiale Dichte-Unruhe-Spektrum sagen verschiedene Mischungen voraus.

• Adiabatische Dichte-Unruhen

:the ist die Bruchüberdichte in jedem Sache-Bestandteil (baryons, Fotonen...) dasselbe. D. h. wenn es um 1 % mehr Energie in baryons gibt als Durchschnitt in einem Punkt, dann mit einer reinen adiabatischen Dichte Unruhen, dort ist auch um 1 % mehr Energie in Fotonen und um 1 % mehr Energie in neutrinos als Durchschnitt. Kosmische Inflation sagt voraus, dass die primordialen Unruhen adiabatisch sind.

• Dichte-Unruhen von Isocurvature

Die:the-Summe der Bruchüberdichten ist Null. D. h. eine Unruhe, wo an einem Punkt es um 1 % mehr Energie in baryons gibt als Durchschnitt, um 1 % mehr Energie in Fotonen als Durchschnitt und um 2 % weniger Energie in neutrinos als Durchschnitt, würde eine reine isocurvature Unruhe sein. Kosmische Schnuren würden größtenteils isocurvature primordiale Unruhen erzeugen.

Das CMB Spektrum ist im Stande, diese zwei zu unterscheiden, weil diese zwei Marken von Unruhen verschiedene Maximalpositionen erzeugen. Dichte-Unruhen von Isocurvature erzeugen eine Reihe von Spitzen, deren winkelige Skalen (L-Werte der Spitzen) grob im Verhältnis 1:3:5: sind..., während adiabatische Dichte-Unruhen Spitzen erzeugen, deren Positionen im Verhältnis 1:2:3: sind... Beobachtungen sind mit den primordialen Dichte-Unruhen im Einklang stehend, die völlig adiabatisch sind, Schlüsselunterstützung für die Inflation zur Verfügung stellend, und viele Modelle des Struktur-Bildungsbeteiligens, zum Beispiel, der kosmischen Schnuren ausschließend.

Dämpfung von Collisionless wird durch zwei Effekten verursacht, wenn die Behandlung des primordialen Plasmas als Flüssigkeit beginnt zusammenzubrechen:

• der zunehmende freie Mittelpfad der Fotonen als das primordiale Plasma wird zunehmend rarefied in einem dehnbaren Weltall
• die begrenzte Tiefe der letzten sich zerstreuenden Oberfläche (LSS), die den freien Mittelpfad veranlasst, schnell während des Entkoppelns sogar zuzunehmen, während ein Compton, der sich zerstreut, noch vorkommt.

Diese Effekten tragen über ebenso zur Unterdrückung von anisotropies auf kleinen Skalen bei, und verursachen den charakteristischen Exponentialdämpfungsschwanz, der in der sehr kleinen winkeligen Skala anisotropies gesehen ist.

Die Tiefe des LSS bezieht sich auf die Tatsache, dass das Entkoppeln der Fotonen und baryons sofort nicht geschieht, aber stattdessen einen merklichen Bruchteil des Alters des Weltalls bis zu diesem Zeitalter verlangt. Eine Methode, genau zu messen, wie lange dieser Prozess genommen hat, verwendet die Foton-Sichtbarkeitsfunktion (PVF). Diese Funktion wird definiert, so dass, den PVF durch P (t), die Wahrscheinlichkeit anzeigend, dass ein CMB Foton letzt gestreut zwischen Zeit t und t+dt durch P (t) dt gegeben wird.

Das Maximum des PVF (die Zeit, wo es am wahrscheinlichsten ist, dass ein gegebenes CMB Foton letzt gestreut) ist ganz genau bekannt. Die erst-jährigen WMAP-Ergebnisse stellen die Zeit, in der P (t) als maximal ist. Das wird häufig als die "Zeit" genommen, in der sich der CMB geformt hat. Jedoch, um uns zu belaufen, wie lange es die Fotonen und baryons zu decouple genommen hat, brauchen wir ein Maß der Breite des PVF. Die WMAP Mannschaft findet, dass der PVF größer ist als Hälfte seines maximalen Werts (die "volle Breite an der Hälfte des Maximums" oder FWHM) über einen Zwischenraum dessen. Durch dieses Maß hat Entkoppeln im Laufe ungefähr 115,000 Jahre stattgefunden, und als es abgeschlossen war, war das Weltall ungefähr 487,000 Jahre alt.

Spätes Mal anisotropy

Seitdem der CMB entstanden ist, ist er anscheinend durch mehrere nachfolgende physische Prozesse modifiziert worden, die insgesamt spät-maligen anisotropy oder sekundären anisotropy genannt werden. Als die CMB Fotonen frei geworden sind zu reisen, war die ungehinderte, gewöhnliche Sache im Weltall größtenteils in der Form von neutralen Wasserstoff- und Helium-Atomen. Jedoch scheinen Beobachtungen von Milchstraßen heute anzuzeigen, dass der grösste Teil des Volumens des intergalaktischen Mediums (IGM) aus dem ionisierten Material besteht (da es wenige Absorptionslinien wegen Wasserstoffatome gibt). Das bezieht eine Periode der Wiederionisation ein, während deren etwas vom Material des Weltalls in Wasserstoffionen gebrochen wurde.

Die CMB Foton-Streuung von freien Anklagen wie Elektronen, die in Atomen nicht gebunden werden. In einem ionisierten Weltall sind solche beladenen Partikeln von neutralen Atomen durch das Ionisieren (ultravioletter) Radiation befreit worden. Heute sind diese freien Anklagen an der genug niedrigen Dichte im grössten Teil des Volumens des Weltalls, dass sie den CMB nicht messbar betreffen. Jedoch, wenn der IGM in sehr frühen Zeiten ionisiert wurde, als das Weltall noch dichter war, dann gibt es zwei Haupteffekten auf den CMB:

1. Kleine Skala anisotropies wird gelöscht. (Ebenso, wenn sie auf einen Gegenstand durch den Nebel schauen, scheinen Details des Gegenstands kraus.)
2. Die Physik dessen, wie Foton-Streuung von von freien Elektronen (Thomson, der sich zerstreut), Polarisation anisotropies auf großen winkeligen Skalen veranlasst. Diese breite Winkelpolarisation wird mit der breiten Winkeltemperaturunruhe aufeinander bezogen.

Beide dieser Effekten sind durch das WMAP Raumfahrzeug beobachtet worden, Beweise zur Verfügung stellend, dass das Weltall in sehr frühen Zeiten, an einer Rotverschiebung mehr als 17 ionisiert wurde. Die ausführliche Herkunft dieser frühen ionisierenden Strahlung ist noch eine Sache der wissenschaftlichen Debatte. Es kann Sternenlicht von der allerersten Bevölkerung von Sternen (Bevölkerung III Sterne), supernovae eingeschlossen haben, als diese ersten Sterne das Ende ihrer Leben oder die durch die Akkretionsplatten von massiven schwarzen Löchern erzeugte ionisierende Strahlung erreicht haben.

Auf die Zeit im Anschluss an die Emission des kosmischen Mikrowellenhintergrunds — und vor der Beobachtung der ersten Sterne — wird von Kosmologen als das dunkle Alter halbhumorvoll verwiesen, und ist eine Periode, die unter der intensiven Studie durch Astronomen ist (Sieh 21-Zentimeter-Radiation).

Zwei andere Effekten, die zwischen Wiederionisation und unseren Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds vorgekommen sind, und die scheinen, anisotropies zu verursachen, die Wirkung von Sunyaev-Zel'dovich einzuschließen, wo eine Wolke von energiereichen Elektronen die Radiation streut, etwas von seiner Energie zu den CMB Fotonen, und die Wirkung von Sachs-Wolfe übertragend, die Fotonen vom Kosmischen Mikrowellenhintergrund veranlasst, Gravitations-redshifted oder blueshifted wegen des Änderns von Schwerefeldern zu sein.

Polarisation

Der kosmische Mikrowellenhintergrund wird am Niveau von einigen microkelvin polarisiert. Es gibt zwei Typen der Polarisation, genannt E-Weisen und B-Weisen. Das ist in der Analogie zur Elektrostatik, in der das elektrische Feld (E-Feld) eine verschwindende Locke hat und das magnetische Feld (B-Feld) eine verschwindende Abschweifung hat. Die E-Weisen entstehen natürlich aus Thomson, der sich in einem heterogenen Plasma zerstreut. Die B-Weisen, die nicht gemessen worden sind und gedacht werden, einen Umfang höchstens 0.1 µK zu haben, werden von der Plasmaphysik allein nicht erzeugt. Sie sind ein Signal von der kosmischen Inflation und werden durch die Dichte von primordialen Gravitationswellen bestimmt. Das Ermitteln der B-Weisen wird besonders äußerst schwierig sein vorausgesetzt, dass der Grad der Vordergrundverunreinigung unbekannt ist, und das schwache Gravitationslensing-Signal das relativ starke E-Weise-Signal mit dem B-Weise-Signal mischt.

Mikrowellenhintergrundbeobachtungen

Nachfolgend auf die Entdeckung des CMB sind Hunderte von kosmischen Mikrowellenhintergrundexperimenten geführt worden, um die Unterschriften der Radiation zu messen und zu charakterisieren. Das berühmteste Experiment ist wahrscheinlich die NASA Kosmischer Hintergrundforscher (COBE) Satellit, der in 1989-1996 umkreist hat, und der entdeckt hat und den in großem Umfang anisotropies an der Grenze seiner Entdeckungsfähigkeiten gemessen hat. Begeistert durch die COBE anfänglichen Ergebnisse eines äußerst isotropischen und homogenen Hintergrunds hat eine Reihe des Bodens - und Ballon-basierte Experimente CMB anisotropies auf kleineren winkeligen Skalen im Laufe des nächsten Jahrzehnts gemessen. Die primäre Absicht dieser Experimente war, die winkelige Skala der ersten akustischen Spitze zu messen, für die COBE genügend Entschlossenheit nicht hatte. Diese Maße sind im Stande gewesen, kosmische Schnuren als die Haupttheorie der kosmischen Struktur-Bildung auszuschließen und haben darauf hingewiesen, dass kosmische Inflation die richtige Theorie war. Während der 1990er Jahre wurde die erste Spitze mit der zunehmenden Empfindlichkeit gemessen, und vor 2000 hat das Experiment von BOOMERanG berichtet, dass die höchsten Macht-Schwankungen an Skalen von etwa einem Grad vorkommen. Zusammen mit anderen kosmologischen Daten haben diese Ergebnisse angedeutet, dass die Geometrie des Weltalls flach ist. Mehrere Boden-basierte interferometers haben Maße der Schwankungen mit der höheren Genauigkeit im Laufe der nächsten drei Jahre, einschließlich der Sehr Kleinen Reihe, Degree Angular Scale Interferometer (DASI) und Cosmic Background Imager (CBI) versorgt. DASI hat die erste Entdeckung der Polarisation des CMB gemacht, und der CBI hat das erste E-Weise-Polarisationsspektrum mit zwingenden Beweisen versorgt, dass es mit dem T-Weise-Spektrum gegenphasig ist.

Im Juni 2001 hat NASA eine zweite CMB Raummission, WMAP gestartet, um viel genauere Maße der großen Skala anisotropies über den vollen Himmel zu machen. WMAP hat symmetrische, schnelle abgestimmte Vielabtastung verwendet, schnelle Schaltung radiometers, um Nichthimmel zu minimieren, geben Geräusch Zeichen. Die ersten Ergebnisse von dieser Mission, bekannt gegeben 2003, waren ausführlich berichtete Maße des winkeligen Macht-Spektrums zu unter Grad-Skalen, dicht verschiedene kosmologische Rahmen beschränkend. Die Ergebnisse sind mit denjenigen weit gehend im Einklang stehend, die von der kosmischen Inflation sowie den verschiedenen anderen konkurrierenden Theorien erwartet sind, und sind im Detail an der Datenbank der NASA für Cosmic Microwave Background (CMB) verfügbar (sieh Verbindungen unten). Obwohl WMAP sehr genaue Maße der großen Schwankungen der winkeligen Skala im CMB zur Verfügung gestellt hat (Strukturen, die fast so im Himmel breit sind wie der Mond), hatte es die winkelige Entschlossenheit nicht, um die kleineren Skala-Schwankungen zu messen, die durch ehemaligen Boden-basierten interferometers beobachtet worden waren.

Eine dritte Raummission, der ESA (Europäische Weltraumorganisation) Landvermesser von Planck, gestartet im Mai 2009 und führt zurzeit eine noch ausführlichere Untersuchung durch. Planck verwendet sowohl HEMT radiometers sowie bolometer Technologie als auch wird den CMB auf kleineren Skalen messen als WMAP. Seine Entdecker haben einen Probelauf am Antarktischen Giftschlange-Fernrohr als ACBAR (Arcminute Kosmologie Bolometer Reihe-Empfänger) Experiment bekommen — der die genausten Maße an kleinen winkeligen Skalen bis heute — und am Ballon-Fernrohr von Archeops erzeugt hat.

Zusätzliche Boden-basierte Instrumente wie das Südpol-Fernrohr in der Antarktis und dem vorgeschlagenen Projekt von Clover, Atacama Kosmologie-Fernrohr und das RUHIGE Fernrohr in Chile werden zusätzliche Daten zur Verfügung stellen, die von Satellitenbeobachtungen vielleicht einschließlich der B-Weise-Polarisation nicht verfügbar sind.

Die Datenverminderung und Analyse

CMBR rohe Daten, die vom Raumfahrzeug (d. h., WMAP) herunterkommen, enthalten Vordergrundeffekten dass völlig dunkel die Struktur der feinen Skala des Kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Die Struktur der feinen Skala ist auf den CMBR rohen Daten überlagert, aber ist zu klein, um an der Skala der rohen Daten gesehen zu werden. Der prominenteste von den Vordergrundeffekten ist der Dipol anisotropy verursacht durch die Bewegung der Sonne hinsichtlich des CMBR Hintergrunds. Der Dipol anisotropy und andere wegen der jährlichen Bewegung der Erde hinsichtlich der Sonne und zahlreichen Mikrowellenquellen im galaktischen Flugzeug und anderswohin müssen abgezogen werden, um die äußerst winzigen Schwankungen zu offenbaren, die die Struktur der feinen Skala des CMBR Hintergrunds charakterisieren.

Die Detail-Analyse von CMBR Daten, um Karten, ein winkeliges Macht-Spektrum und schließlich kosmologische Rahmen zu erzeugen, ist ein kompliziertes, rechenbetont schwieriges Problem. Obwohl die Computerwissenschaft eines Macht-Spektrums aus einer Karte im Prinzip ein einfacher Fourier ist, verwandeln sich, die Karte des Himmels in kugelförmige Obertöne zersetzend, in der Praxis ist es hart, die Effekten des Geräusches und der Vordergrundquellen in die Rechnung zu nehmen. Insbesondere dieser Vordergrund wird durch galaktische Emissionen solcher als ohne befreit, Synchrotron und Staub beherrscht, die im Mikrowellenband ausstrahlen; in der Praxis muss die Milchstraße entfernt werden, auf eine CMB-Karte hinauslaufend, die nicht eine Karte des vollen Himmels ist. Außerdem vertreten Punkt-Quellen wie Milchstraßen und Trauben eine andere Quelle des Vordergrunds, der entfernt werden muss, damit sie die kurze Skala-Struktur des CMB Macht-Spektrums nicht verdrehen.

Einschränkungen auf viele kosmologische Rahmen können bei ihren Effekten auf das Macht-Spektrum erhalten werden, und Ergebnisse werden häufig mit der Kette von Markov Stichprobenverfahren von Monte Carlo berechnet.

CMBR Dipol anisotropy

Von den CMB Daten wird es gesehen, dass unsere lokale Gruppe von Milchstraßen (die galaktische Traube, die die Milchstraße-Milchstraße des Sonnensystems einschließt) scheint, sich an 627±22 km/s hinsichtlich des Bezugsrahmens des CMB zu bewegen (auch hat den CMB-Rest-Rahmen oder das Bezugssystem genannt, in dem es keine Bewegung durch den CMB gibt) in der Richtung auf die galaktische Länge l = 276±3 °, b = 30±3 °. Diese Bewegung läuft auf einen anisotropy der Daten (CMB das Erscheinen ein bisschen wärmer in der Richtung auf die Bewegung hinaus als in der entgegengesetzten Richtung). Die Standardinterpretation dieser Temperaturschwankung ist eine einfache Geschwindigkeitsrotverschiebung und blueshift wegen der Bewegung hinsichtlich des CMB, aber alternative kosmologische Modelle können einen Bruchteil des beobachteten Dipoltemperaturvertriebs im CMB erklären.

Niedrige Mehrpole und andere Anomalien

Mit den immer genaueren durch WMAP zur Verfügung gestellten Daten hat es mehrere Ansprüche gegeben, dass der CMB unter Anomalien, wie sehr in großem Umfang anisotropies, anomale Anordnungen und non-Gaussian Vertrieb leidet. Der am meisten seit langer Zeit bestehende von diesen ist die niedrige-l Mehrpol-Meinungsverschiedenheit. Sogar in der COBE-Karte wurde es bemerkt, dass der Quadrupol (l=2 kugelförmige Harmonische) einen niedrigen Umfang im Vergleich zu den Vorhersagen des Urknalls hat. Einige Beobachter haben darauf hingewiesen, dass der anisotropies in den WMAP Daten nicht geschienen ist, mit dem Urknall-Bild im Einklang stehend zu sein. Insbesondere der Quadrupol und octupole (l=3) Weisen scheinen, eine unerklärte Anordnung mit einander und mit dem ekliptischen Flugzeug, eine als die Achse des Übels manchmal gekennzeichnete Anordnung zu haben. Mehrere Gruppen haben vorgeschlagen, dass das die Unterschrift der neuen Physik an den größten erkennbaren Skalen sein konnte; andere Gruppen verdächtigen systematische Fehler in den Daten. Schließlich, wegen des Vordergrunds und des kosmischen Abweichungsproblems, werden die größten Weisen nie ebenso als die kleinen winkeligen Skala-Weisen gemessen. Die Analysen wurden auf zwei Karten durchgeführt, die den Vordergrund so am besten entfernen lassen haben, wie möglich ist: Die "innere geradlinige Kombination" Karte der WMAP Kollaboration und eine ähnliche Karte, die von Max Tegmark und anderen bereit ist. Spätere Analysen haben darauf hingewiesen, dass das die Weisen sind, die gegen die Vordergrundverunreinigung vom Synchrotron, dem Staub und der Emission ohne freien, und von der experimentellen Unklarheit im Monopol und Dipol am empfindlichsten sind. Eine volle Analyse von Bayesian des WMAP Macht-Spektrums demonstriert, dass die Quadrupol-Vorhersage der Kosmologie des Lambdas-CDM mit den Daten am 10-%-Niveau im Einklang stehend ist, und dass der beobachtete octupole nicht bemerkenswert ist. Sorgfältig hat die Erklärung des Verfahrens gepflegt umzuziehen der Vordergrund vom vollen Himmel stellt kartografisch dar weiter reduziert die Bedeutung der Anordnung um ~5 %.

In der populären Kultur

• In der Stargate Weltall-Fernsehreihe reist ein Altes Raumschiff, Schicksal, zu einer künstlichen Quelle von CMBR mit Anzeigen, dass das Weltall, weil wir es wissen, durch eine Form der empfindungsfähigen Intelligenz geschaffen worden sein könnte.
• In Wheelers, einem Roman durch Ian Stewart & Jack Cohen, wird CMBR als die encrypted Übertragungen einer alten Zivilisation erklärt. Das erlaubt Jovian "kleine unstarre Luftschiffe", um eine Gesellschaft zu haben, die älter ist als das zurzeit beobachtete Alter des Weltalls.

Referenzen

Links

• CMBR Thema auf arxiv.org
• Audio-: Fraser Kain und Dr Pamela Gay - Astronomie-Wurf. Der Urknall und Kosmische Mikrowellenhintergrund - Oktober 2006