Warum können wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund beobachten, egal in welche Richtung wir schauen?

Bis das Universum 380.000 Jahre alt war, war es mit einem Gas aus Protonen und Elektronen gefüllt. Es gab auch Strahlung, im thermischen Gleichgewicht mit der Materie, und weil es so heiß war, konnten die Protonen und Elektronen keinen neutralen Wasserstoff bilden, da jedes Mal, wenn es "versuchte", ein energiereiches Photon das Elektron abschlagen würde.

Dieses Gas war überall. Und Photonen reisten und zerstreuten sich in alle Richtungen:

^{Photonen ( lila ) streuen an freien Elektronen ( grün ), und beide werden mit Protonen ( rot ) vermischt.}

380.000 Jahre nach dem Urknall war die Temperatur so weit gesunken, dass sich neutrale Atome bilden konnten (dies wird als Rekombination bezeichnet ). Die Strahlung, die bisher kontinuierlich an freien Elektronen gestreut wurde, konnte nun frei zwischen den Atomen strömen (man nennt dies Entkopplung ).

Also taten sie es. Immer noch in alle Richtungen:

Dieses kostenlose Streaming findet immer noch statt. Photonen reisen in alle Richtungen und sind überall. Die Photonen, die Sie sehen können, sind diejenigen, die in einer bestimmten Entfernung von Ihnen und in einer bestimmten Richtung gestartet sind, aber andere Photonen sind in kleineren und größeren Entfernungen und in anderen Richtungen gestartet. Du siehst sie nur nicht, weil du zufällig genau hier bist . Aber eine Person an einem anderen Ort des Universums würde dasselbe sehen wie Sie.

Die Photonen, die wir als CMB beobachten, stammen aus einer Region, die wir die Oberfläche der letzten Streuung nennen , weil sie der Oberfläche einer Schale entspricht, die auf uns gerichtet ist. Aber an dieser "Oberfläche" ist nichts Besonderes, außer dass sie aus allen Punkten im Universum besteht, die so weit von uns entfernt sind, dass ein Photon ungefähr 13,8 Milliarden Jahre braucht, um sich fortzubewegen. Und aufgrund der Expansion sind diese Punkte jetzt etwa 47 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.

In der Abbildung unten zeigen die Pfeile CMB-Photonen. Alle haben die gleiche Länge; Sie beginnen dort, wo sie ausgestrahlt wurden, und enden dort, wo sie heute sind. Was wir als CMB beobachten, sind alle Pfeile, die an der Milchstraße (in der Mitte) enden. Andere Pfeile können von anderen Beobachtern in anderen Galaxien beobachtet werden, die ihre eigene Oberfläche der letzten Streuung um sich herum haben.

Ja. Aus diesem Grund nannten wir das CMB bis vor ein oder zwei Jahrzehnten isotrop; isotrop bedeutet „ in jeder Richtung gleich “. Seit dieser Zeit haben wir die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe und ihre Nachfolger, die geringfügige Unterschiede aufweisen, je nachdem, wohin wir unsere Antenne richten. Wir können unsere Geschwindigkeit in Bezug auf diese nahezu gleichmäßige Hintergrundstrahlung leicht messen: Beschleunigung durch das Universum . Wenn wir das abziehen, erhalten wir geschwindigkeitskorrigierte WMAP-Daten, die Hot- und Cold-Spots zeigen . Deshalb nennen wir das CMB jetzt anisotrop.

Egal in welche Richtung wir im Universum blicken, wir blicken in der Zeit zurück. Wenn wir eine Galaxie beobachten, ist das so$10$Millionen Lichtjahre entfernt, dann beobachten wir Photonen, die emittiert wurden$10$vor Millionen Jahren. Wenn wir eine Galaxie beobachten, ist das so$1$Milliarden Lichtjahre entfernt, dann beobachten wir Photonen, die emittiert wurden$1$vor Milliarden Jahren.

Und je weiter wir uns in der Entfernung (und damit weiter in der Zeit zurück) bewegen, desto mehr werden die Photonen aufgrund der Expansion des Universums rotverschoben, während die Photonen im Flug waren.

Schließlich erreichen wir in jeder Richtung den Punkt, an dem wir emittierte Photonen beobachten$380,000$Jahre nach dem Urknall. Alle früher emittierten Photonen werden von dem ionisierten Gas gestreut, das vor dieser Zeit das Universum gefüllt hat. Die ältesten Photonen, die wir in irgendeiner Richtung beobachten können, sind also emittierte Photonen$380,000$Jahre nach dem Urknall. Diese Photonen wurden zu Mikrowellenwellenlängen rotverschoben, sodass sie das bilden, was wir die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung oder CMBR nennen.