Warum breitet sich CMB-Strahlung zu uns aus?

Das größte Missverständnis, das ich in der Frage sehe, ist die Vorstellung vom Urknall als etwas, das sich wie eine Explosion "nach außen" ausbreitet. Es gibt keine Richtung nach außen, das Universum hat sich nicht in etwas ausgedehnt.

Auch wenn neuere Beobachtungen darauf hinzudeuten scheinen, dass das Universum geschlossen ist, lassen Sie mich der Einfachheit halber annehmen, dass das Universum flach und unendlich ist.

Das erste, was auffällt, ist, dass das Universum, wenn es jetzt unendlich ist, auch kurz nach dem Urknall unendlich war, es war nur dichter . Stellen Sie sich eine flache Ebene vor, auf der ein Gitter aus gleichmäßig verteilten Punkten gezeichnet ist.

Das Flugzeug ist das Universum zu einer bestimmten Zeit. Die Punkte repräsentieren Objekte im Universum, Elektronen, Atome, Sterne, was auch immer.

Stellen Sie sich nun vor, das Flugzeug zu vergrößern und es größer zu machen. Natürlich ist die Ebene unendlich, also ändert das Skalieren ihre Größe nicht, aber die Punkte entfernen sich weiter voneinander, während sie ihre Größe beibehalten (andernfalls könnten Sie nicht erkennen, dass eine Erweiterung stattgefunden hat).

Sie sehen, dass sich die Punkte zu nichts ausdehnen, das Universum (die Ebene) war bereits unendlich, es hat nicht an Größe zugenommen.

Kritisch ist, dass es kein Zentrum der Erweiterung gibt. Der Abstand von zwei beliebigen Punkten hat sich (in diesem Beispiel) verdoppelt, unabhängig von ihrer Position.

Lassen Sie uns nun über das CMB sprechen. Stellen Sie sich das einmal vor$t_0$, sendete jeder Punkt einen Impuls aus, eine expandierende kreisförmige Welle. Diese Welle symbolisiert die Photonen des cmb, die gleichzeitig von jedem Punkt in alle Richtungen emittiert werden.

Die letzten Bilder beziehen sich auf unsere Situation. Die Erde ist der schwarze Punkt, der von den Wellenfronten berührt wird. Wir sehen das CMB aus allen Richtungen kommen (im Bild nur aus vier Richtungen), weil es von überall her emittiert wurde.

Der CMBR trat nicht an einem einzigen Ort auf, sondern im gesamten frühen Universum (vor über 13 Milliarden Jahren). Daher ist jeder theoretische Beobachter während der gesamten Geschichte des Universums in der Lage zu sehen, wie der CMBR in seinem gegenwärtigen Moment (allerdings mit einer anderen thermischen Signatur) durch seinen Bereich des Universums wandert. Was wir heute sehen, ist Licht, das eine Entfernung von über 13 Milliarden Lichtjahren zurückgelegt hat. Diese Gesamtentfernung besteht sowohl aus der anfänglichen Entfernung (was Ihre Entfernung von einer bestimmten Region des Universums zum Zeitpunkt der Emission des CMBR gewesen wäre) als auch der zusätzlichen Entfernung, die durch die Dehnung der Raumzeit (und damit die beobachtete Abkühlung des CMBR).

Da der CMBR kein Ereignis ist (ein Punkt in der Raumzeit, der speziell durch drei räumliche und eine zeitliche Dimension definiert ist), sondern überall aufgetreten ist, müssen Sie einfach die zurückgelegte Entfernung mit der abgelaufenen Zeit in Einklang bringen, und Sie können den CMBR beobachten das zum Zeitpunkt der Emission des CMBR aus der entsprechenden Region des Universums emittiert wurde.

Ich hatte einige Zeit damit zu kämpfen, mir das vorzustellen. Was wir als CMB sehen, ist die „Oberfläche der letzten Streuung“; mit anderen Worten die (zurückweichende) Oberfläche, an der Photonen nach der Rekombination emittiert wurden.

Ich fand Lineweavers "Oberfläche des letzten Schreiens" eine hilfreiche Analogie:

Stellen Sie sich ein unendliches Feld voller schreiender Menschen vor. Die Kreise sind ihre Köpfe. Du schreist auch. (Dein Kopf ist der schwarze Punkt.) Angenommen, alle hören gleichzeitig auf zu schreien. Was wirst du hören? Schall breitet sich mit 330 m/s aus. Eine Sekunde, nachdem alle aufgehört haben zu schreien, werden Sie die Schreie von einer „Oberfläche des letzten Schreiens“ 330 Meter von Ihnen entfernt in alle Richtungen hören können. Nach 3 Sekunden kommt das leise Schreien aus 1 km Entfernung ... etc.

https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March03/Lineweaver/Lineweaver7_2.html

Stellen Sie sich vor, vor 13 Milliarden Jahren wäre das Universum eine heiße Suppe mit vielen Photonen, die in zufällige Richtungen springen. In jede Richtung, in die Sie schauen, heiße Suppenphotonen.

Erweitern Sie nun alles und kommen Sie zum Heute. Die gleiche heiße Photonensuppe ist immer noch hier, aber rotverschoben. Jede Richtung, in die Sie schauen, wo immer Sie sind, Suppenphotonen. Wir befinden uns in derselben universellen Photonenwolke.

Der CMB ist im Wesentlichen unsere Sicht aus dem Inneren eines Photonengases oder eines perfekten schwarzen Körpers.

Das Problem beim Verständnis des "beobachtbaren" Universums besteht darin, dass es viele Horizonte gibt, zwischen denen verwechselt werden kann: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_horizon

Da sich das Universum ausdehnt, ist die Distanz, die ein Photon vor 13 Milliarden Jahren zurückgelegt hat, heute mehr Distanz wert (ähnlich wie Geld vor langer Zeit mehr wert war). Das bedeutet, dass wir Photonen aus sehr großer Entfernung sehen können, die in der Vergangenheit emittiert wurden (Teilchenhorizont), obwohl wir den Ort, von dem sie kamen, nie besuchen können, wenn wir heute beginnen würden (Ereignishorizont).