CMB-Absorption durch interstellares Medium und Kontamination mit galaktischen Mikrowellenphotonen

Frage zur Verdeutlichung am 27.06.2018 bearbeitet Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) wird oft als die Strahlung bezeichnet, die vom Urknall übrig geblieben ist, oder genauer gesagt, die Photonen, die aus dem Thermalbad ausgekoppelt wurden, als sich die ersten Atome bildeten.

Wenn wir die Strahlung messen, dh den Photonenfluss in einem bestimmten Mikrowellenbereich (z. B. 0,1 cm bis 70 cm), im tiefen Himmel, gibt es Strahlungen, die von verschiedenen galaktischen Quellen kommen. Wenn man die Photonenbeiträge von diesen Quellen sorgfältig eliminiert und dann die Intensität gegen die Frequenz aufträgt, erhält man eine Kurve, die ein Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers (BB) nachahmt. Damit schätzt man die Temperatur auf ca 2.7 K.

In der Zeit, als das Universum jünger war, hatte diese Hintergrundstrahlung eine viel höhere Temperatur. Dann kühlte es schließlich mit der Ausdehnung des Universums auf die Temperatur ab 2.7 K.

Frage

∙ Aber sollten die CMB-Photonen nicht ständig von verschiedenen Lichtquellen in der Galaxie kontaminiert werden, abgesehen davon, dass sie durch die Expansion des Universums beeinflusst werden? Haben wir Grund zu der Annahme, dass Galaxien keine Photonen im Mikrowellenbereich aussenden und sich nicht mit CMB-Photonen vermischen? Wenn ja, handelt es sich nicht wirklich um die alten Photonen, die im frühen Universum entkoppelt wurden, und es scheint unmöglich, die Photonen CMB von anderen Mikrowellenstrahlungen zu trennen, die sich wahrscheinlich damit vermischen.

∙ Was ist auch der Grund zu der Annahme, dass diese alten Photonen seit der Entkopplung bis heute überlebt haben, obwohl sie (vielleicht) kontinuierlich vom interstellaren Medium absorbiert wurden?

∙ Es wird angenommen, dass CMB-Photonen nur von Expansion betroffen sind. Wie ist es möglich, dass dieser CMB ohne Wechselwirkung mit anderen Photonen existiert, die von Sternen usw. stammen? Photonen können mit Photonen höherer Ordnung in der QED-Störungstheorie interagieren, obwohl die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung stark unterdrückt ist.

Antworten (2)

Ja, das CMB könnte teilweise von Staub oder anderen Galaxien absorbiert werden, die sich jetzt davor befinden, aber da wir wissen, dass das Spektrum ein Schwarzkörperspektrum sein sollte. Wir können für einen bestimmten Punkt am Himmel die CMB bei verschiedenen Wellenlängen messen und sehen, welches Temperatur-Schwarzkörperspektrum am besten zu diesen Daten passt. So können Menschen diese berühmten Karten erstellen, auf denen Sie sehen, dass die Temperatur der CMB-Strahlung an verschiedenen Punkten am Himmel leicht schwankt. Obwohl es heutzutage tatsächlich ziemlich viel Rauschen über dem CMB-Signal gibt, können wir das Rauschen herausfiltern, da das Rauschen selbst normalerweise nicht einem Schwarzkörperspektrum mit der gleichen Temperatur wie der Rest des CMB folgt.

Aber wie können wir sicher sein, dass das meiste, was wir auf diesen Karten sehen, ein tatsächliches Signal und kein Rauschen ist? Aus Berechnungen, die die Verteilung von Elementen im Universum vorhersagen, kann man zeigen, dass die Menge an Photonen, die als diese Reststrahlung emittiert wurde, so intensiv war, dass im frühen Universum (als das CMB noch ein Schwarzkörperspektrum von T = 10000 K statt Strom T = 2.7 K ) war die gesamte Energie des CMB so intensiv, dass sie den gesamten Energiegehalt des gesamten sichtbaren Universums dominierte. Versuchen Sie sich das vorzustellen! Ein ganzes Universum, gefüllt mit Strahlung von Tausenden von Grad.

Dies macht uns ziemlich zuversichtlich, dass die paar Photonen, die nach der anfänglichen Emission des CMB emittiert oder absorbiert werden, die Hauptergebnisse nicht verändern. Es gibt jedoch einen ganzen Zweig der Physik, der sich darauf spezialisiert hat, das Rauschen zu entfernen, um immer kleinere Strukturen des CMB zu beobachten.

@JgL- Aber wie ist es möglich, die Photonen-CMB-Strahlung von anderen Mikrowellenstrahlungen zu trennen? Wie ist es möglich, dass dieser CMB ohne Wechselwirkung mit anderen Photonen existiert, die von Sternen usw. stammen? Ich finde es sehr schwer zu verstehen, dass das CMB stabil ist (dh niemals mit anderen Photonen interagiert), außer dass die CMB-Photonen mit der Expansion des Universums in der Wellenlänge gestreckt werden?
"" ohne Wechselwirkung mit anderen Photonen, die von Sternen usw. stammen?"" Was lässt Sie glauben, dass Photonen mit anderen Photonen interagieren?
@ Georg- In JD Jacksons klassischer Elektrodynamik argumentierte er, dass in QED γ ( P 1 ) + γ ( P 2 ) → γ ( k 1 ) + γ ( k 2 ) ist möglich. Das entsprechende Feynman-Diagramm ist ebenfalls angegeben. Warum also kann CMB-Photon nicht mit gewöhnlichen Photonen interagieren? Liegt das daran, dass diese Prozesse bei Störungen in höherer Ordnung auftreten und daher die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung stark unterdrückt wird?
In der QED ist es zwar möglich, dass Photonen durch Wechselwirkungen mit „virtuellen“ Elektronen interagieren, dies ist jedoch ein ziemlich vernachlässigbarer Effekt. Besonders im Vergleich zu der großen Anzahl von CMB-Photonen, die ein nahezu perfektes Schwarzkörperspektrum haben, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass dieser Peak bei einer bestimmten Wellenlänge von einem solchen herrührt γ γ Streuung. Darüber hinaus gibt es andere unabhängige Beweise, wie die Verteilung von Elementen im frühen Universum, die auf die gleiche Schlussfolgerung hindeuten, dass das Universum in einem früheren Stadium sehr heiß war, was die richtige CMB-Wellenlänge vorhersagt.

Sie geben an:

Wenn man Photonenbeiträge aus diesen Quellen sorgfältig eliminiert

und dann fragen:

Aber sollten die CMB-Photonen nicht ständig von verschiedenen Lichtquellen in der Galaxie kontaminiert werden, abgesehen davon, dass sie durch die Expansion des Universums beeinflusst werden?

So werden leuchtende Quellen von Mikrowellenstrahlung auf Galaxien und deren Sterne lokalisiert und können eliminiert werden. Elektromagnetische Strahlung breitet sich in geraden Linien aus, und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon auf ein Staubteilchen trifft und das ursprüngliche Signal „kontaminiert“, würde zu systematischen Fehlern beitragen .

Was ist auch der Grund zu der Annahme, dass diese alten Photonen seit der Entkopplung bis heute überlebt haben, obwohl sie (vielleicht) kontinuierlich vom interstellaren Medium absorbiert wurden?

Entkopplung bedeutet, dass es keine Wechselwirkungen gibt. Die Dichte des intergalaktischen Mediums ist sehr gering, in der Größenordnung von 1 Wasserstoffatom pro Meter hochgewürfelt zu 1 Atom pro C M 3 , während Mikrowellenstrahlung Licht ist, dh Millionen von Photonen.

Es wird angenommen, dass CMB-Photonen nur von Expansion betroffen sind. Wie ist es möglich, dass dieses CMB ohne Wechselwirkung mit anderen Photonen existiert, die von Sternen usw

Photon-Photon- Wechselwirkungen sind sehr unwahrscheinlich. Deshalb überlagern und interferieren Lichtstrahlen, streuen aber nicht.

Ich würde gerne wissen, warum diese Antwort abgelehnt wird. Es "fühlt" sich (von meinem nicht so hohen Verständnis von allem) richtig an und ist sicherlich mehr eine Antwort auf alle Fragen von OP als die von JgL (was immer noch gut ist).
@peguerosdc Keine Sorge, wenn Leute einen soliden Grund haben, ihre Stimme abzulehnen, geben sie ihn normalerweise an. Viele Leute stimmen ab, weil sie die Antwort vage nicht mögen. Die Abstimmung ist schließlich kein Peer-Review-System, weil jeder Benutzer mit einem gewissen Ruf abstimmen kann, unabhängig vom Niveau des Physikverständnisses.
@peguerosdc Ich habe gerade gesehen, dass diese Antwort nicht abgelehnt wurde, also müssen Sie "warum hat sie keine positiven Stimmen" meinen? Das bedeutet, dass niemand auf den Aufwärtspfeil links neben der Antwort geklickt hat, niemand hat die Antwort so sehr gemocht, um dies zu tun. Es bedeutet nicht "Downvoting" im Abstimmungssystem der Website.
@user:1492 richtig, ich dachte fälschlicherweise, "0 Stimmen" bedeutete, dass die Standardanzahl 1 war, aber jemand hat abgelehnt. Entschuldigen Sie. Ich habe es jetzt hochgestimmt.
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