Warum ist der kosmische Mikrowellenhintergrund ein Beweis für ein heißeres, dichteres frühes Universum?

Auf Wunsch:

Abgesehen davon, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) eine direkte Vorhersage des Urknallmodells ist, stellt sich die Frage, wie man ihn auf andere Weise erzeugen würde. Es ist bemerkenswert nahe an einer Isotropie und bemerkenswert nahe an einem Schwarzkörper-Spektrum - dh es ist fast ein perfektes Schwarzkörper-Strahlungsfeld.

Ein Schwarzkörper-Strahlungsfeld wird von Material im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht (CTE) emittiert. Ein Beispiel wäre das Innere eines Sterns. Eine Voraussetzung für (CTE) ist, dass Materie und Strahlungsfeld durch die gleiche Temperatur gekennzeichnet sind und dass das Material „optisch dick“ ist – was bedeutet, dass es für diese Strahlung bei praktisch allen Wellenlängen undurchlässig ist.

Angesichts der Tatsache, dass das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff, Helium und (derzeit) Spuren schwererer Elemente besteht, können wir uns fragen, wie es möglich ist, ein perfektes Schwarzkörper-Strahlungsfeld zu erzeugen? Kalter Wasserstoff und Helium sind für Mikrowellen durchlässig . Um sie undurchsichtig zu machen, müssen sie ionisiert werden, damit die freien Elektronen über die Thomson-Streuung eine Quelle der Undurchsichtigkeit bei allen Wellenlängen sein können. Dies erfordert jedoch viel höhere Temperaturen - etwa 3000 K.

Wie erhöht man die Temperatur eines Gases gleichmäßig (adiabatisch – also ohne Wärmezufuhr)? Indem man es drückt. Ein kleineres, dichteres Universum wäre heiß genug, um ionisierten Wasserstoff zu enthalten, und wäre undurchlässig für die darin enthaltene Strahlung. Während es sich ausdehnt und abkühlt, verbinden sich die Elektronen mit Protonen zu Atomen und das Universum wird transparent, aber mit einem perfekten Schwarzkörper-Strahlungsspektrum gefüllt. Das Licht, ursprünglich mit einer Temperatur von 3000 K und hauptsächlich im sichtbaren und infraroten Bereich, hat durch die Expansion des Universums eine um den Faktor 1100 gestreckte Wellenlänge, was bedeutet, dass wir es jetzt hauptsächlich als Mikrowellen sehen.

Ein zusätzlicher Beweis für dieses Modell ist, dass das Strahlungsfeld nicht absolut isotrop ist. Diese kleinen Wellen kodieren Informationen wie die Expansionsrate des Universums zum Zeitpunkt der (Re-)Kombination und die Dichte der Materie. Wenn sie aus Messungen abgeleitet werden, stimmen diese Parameter sehr gut mit anderen Bestimmungen überein, die unabhängig von der CMB sind, wie der Hubble-Rotverschiebungs-Abstandsbeziehung und Schätzungen der ursprünglichen Häufigkeit von Deuterium und Helium.

Es gibt jetzt direkte Beweise dafür, dass der CMB in der Vergangenheit heißer war und genau um den Betrag, der durch eine adiabatische Expansion vorhergesagt wurde. Die Quelle dieses Beweises sind Messungen des Sunyaev-Zel'dovich-Effekts gegenüber Galaxienhaufen (z. B. Luzzi et al. 2009 ); oder genauer gesagt durch Untersuchung der Anregungsbedingungen in Gaswolken bei hoher Rotverschiebung mit noch weiter entfernten Quasaren als Sonden (z. B. Srianand et al. 2008 . Diese Messungen sagen uns, wie heiß das Strahlungsfeld für diese Galaxien war . Eine kürzlich erschienene Arbeit von Li et al (2021) verwendet den SZ-Effekt, um zu zeigen, dass die CMB-Temperatur variiert wie$T_0 (1+z)^{1-\alpha}$, mit$\alpha = 0.017^{+0.029}_{-0.032}$, Wo$\alpha = 0$für eine adiabatische Expansion; dh im Einklang mit der Vorhersage auf 3 %.