Kosmiska mikrovågsbakgrundsspektrala distorsioner

CMB-spektrala distorsioner är små avvikelser från det genomsnittliga kosmiska mikrovågsbakgrundsfrekvensspektrumet (CMB) från de förutsägelser som ges av en perfekt svart kropp . De kan produceras av ett antal standard- och icke-standardiserade processer som inträffar i de tidiga stadierna av kosmisk historia , och tillåter oss därför att undersöka standardbilden av kosmologi. Viktigt är att CMB-frekvensspektrumet och dess förvrängningar inte ska förväxlas med CMB-anisotropieffektspektrumet, som relaterar till rumsliga fluktuationer av CMB-temperaturen i olika riktningar av himlen.

Spektrala förvrängningar vid olika kosmologiska epoker. Vid mycket tidiga tillfällen, med rödförskjutning ${\displaystyle z>2\ gånger 10^{6}},$ uppstår all energiinjektion som en temperaturförskjutning i den svarta kroppen. När universums ålder ökar, blir processerna som leder till termalisering av CMB-förvrängningar till en svart kropp mindre effektiva (bremsstrahlung och dubbel Compton-spridning när $z<10^{6}$ , Compton-spridning när $z<10^{4}$ ). De spektrala distorsionerna samspelar också med framstående epoker av kosmisk historia som återjonisering , rekombination och Big Bang-nukleosyntes som visas. Närmare bestämt, under rekombinationsepoken ( $\sim 300 000$ efter Big Bang), är de kosmologiska rekombinationslinjerna inpräntade på CMB som ett resultat av icke-jämviktsatomära processer under den eran

Översikt

Energispektrumet för CMB är extremt nära det för en perfekt svartkropp med en temperatur på $2,7255K$ . Detta förväntas eftersom materia och strålning i det tidiga universum är i termisk jämvikt . Men vid rödförskjutningar $z<2\times 10^{6}$ kan flera mekanismer, både standard och icke-standard, modifiera CMB-spektrumet och introducera avvikelser från ett svartkroppsspektrum. Dessa avvikelser kallas vanligtvis för CMB-spektrala distorsioner och berör mestadels det genomsnittliga CMB-spektrumet över hela himlen (dvs. CMB-monopolspektrumet).

Spektrala förvrängningar skapas av processer som driver materia och strålning ur jämvikt. Ett viktigt scenario relaterar till spektrala distorsioner från tidig energiinjektion, till exempel genom sönderfallande partiklar, uravdunstning av svarta hål eller avledning av akustiska vågor som uppstår genom uppblåsning. I denna process värmer baryonerna upp och överför en del av sin överskottsenergi till det omgivande CMB-fotonbadet via Compton-spridning . Beroende på injektionsögonblicket orsakar detta en distorsion, som kan karakteriseras med så kallade $\mu$ - och $y$ -typ distorsionsspektra. De dimensionslösa $\mu$ och $y$ -parametrarna är ett mått på den totala mängden energi som injicerades i CMB. CMB-spektrala distorsioner ger därför en kraftfull sond av tidig universums fysik och levererar till och med grova uppskattningar för den epok då injektionen inträffade.

De nuvarande bästa observationsgränserna som fastställdes på 1990-talet av COBE-satellit/FIRAS-instrument ( COBE/FIRAS) är $|\mu |<9\ gånger 10^{-5}$ och $|y|<1,5\ gånger 10^{-5}$ vid 95 % konfidensnivå. Inom $\Lambda$ CDM förväntar vi oss $\mu \sim 2\times 10^{-8}$ och $y\ sim {\rm {få}}\ gånger 10^{-6}$ , signaler som har kommit till räckhåll för dagens teknik (se § Experimentella och observationsutmaningar ) . Rikare distorsionssignaler, som går utöver de klassiska $\mu$ och $y$ distorsionerna, kan skapas genom fotoninjektionsprocesser, relativistiska elektronfördelningar och under den gradvisa övergången mellan $\mu$ och $y$ -förvrängningsepoker. Den kosmologiska rekombinationsstrålningen (CRR) är ett utmärkt exempel inom $\Lambda$ CDM som skapas genom fotoninjektion från rekombinerande väte- och heliumplasma runt rödförskjutningar på $z\sim 10 ^{3}-10^{4}$ .

Historia

Yakov B. Zeldovichs och Rashid Sunyaevs nyskapande artiklar 1969 och 1970. Dessa verk dök upp bara några år efter den första upptäckten av CMB av Arno Allan Penzias och Robert Woodrow Wilson och dess tolkning som ekot av Big Bang av Robert H. Dicke och hans team 1965. Dessa fynd utgör en av de viktigaste pelarna i Big Bang-kosmologin, som förutsäger den svartkroppsliga naturen hos CMB. Men som visas av Zeldovich och Sunyaev kan energiutbyte med rörliga elektroner orsaka spektrala distorsioner.

De banbrytande analytiska studierna av Zeldovich och Sunyaev kompletterades senare av de numeriska undersökningarna av Illarionov och Sunyaev på 1970-talet. Dessa behandlade termaliseringsproblemet inklusive Compton-spridning och Bremsstrahlung -processen för en enda frisättning av energi. 1982 insåg danska och de Zotti vikten av dubbel Compton-emission som källa till fotoner vid höga rödförskjutningar. Moderna överväganden om CMB-spektrala distorsioner började med verk av Burigana, Danese och de Zotti och Hu, Silk och Scott i början av 1990-talet.

Efter att COBE/FIRAS tillhandahöll stränga gränser för CMB-spektrumet, vilket i huvudsak uteslöt distorsioner på nivån ${\tfrac {\Delta I}{I}}\sim 10^{ -5}-10^{-4}$ minskade intresset för CMB-spektrala distorsioner. 2011 föreslogs PIXIE till NASA som ett mittex satellituppdrag, vilket gav en första stark motivation att återuppta teorin om spektrala distorsioner. Även om ingen efterföljare till COBE/FIRAS hittills har finansierats, ledde detta till en renässans av CMB-spektrala distorsioner med många teoretiska studier och utformningen av nya experimentella koncept

Den spektrala distorsionen i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) ser olika ut beroende på ögonblicket i universums historia där denna svarta kropp modifierades. Vid mycket tidiga tidpunkter där $z>10^{6}$ uppstår varje injicering av energi som en temperaturförskjutning i den svarta kroppen. Om energiinjektionen är senare (fortfarande mycket tidigt i universums historia) ser vi formen på $\mu$ - distorsion, medan vi kan se en skarpare fluktuation vid senare tidpunkter, associerad med $y$ -förvrängning. Här injiceras en del energi i CMB vid tidpunkten definierad av rödförskjutningen $z_{h}$ med den resulterande distorsionen plottad

Termaliseringsfysik

I det kosmologiska 'termaliseringsproblemet' urskiljs tre huvudepoker: termaliserings- eller temperatureran, $\mu$ -era och $y$ -era, var och en med lite olika fysiska förutsättningar p.g.a. förändringen i densiteten och temperaturen hos partiklar som orsakas av Hubble-expansionen.

Termaliseringstiden

I de mycket tidiga stadierna av den kosmiska historien (fram till några månader efter Big Bang ), är fotoner och baryoner effektivt kopplade genom spridningsprocesser och är därför i full termodynamisk jämvikt. Energi som injiceras i mediet omfördelas snabbt mellan fotonerna, främst genom Compton-spridning, medan fotonantalsdensiteten justeras av foton-icke-konserverande processer, såsom dubbel Compton och termisk Bremsstrahlung. Detta gör att fotonfältet snabbt kan slappna av tillbaka till en planckisk fördelning , även om en spektral distorsion uppträder under en mycket kort fas. Observationer idag kan inte säga skillnaden i detta fall, eftersom det inte finns någon oberoende kosmologisk förutsägelse för CMB-monopoltemperaturen. Denna regim kallas ofta för termaliserings- eller temperatureran och slutar vid rödförskjutning $z\sim 2\ gånger 10^{6}$ .

μ -distortion era

Vid rödförskjutningar mellan $5\times 10^{4}$ och $2\times 10^{6}$ fortsätter effektivt energiutbyte genom Compton-spridning att etablera kinetisk jämvikt mellan materia och strålning, men processer för att ändra fotonnummer slutar vara effektiva. Eftersom fotontalstätheten bevaras men energitätheten modifieras, får fotoner en effektiv kemisk potential som inte är noll och får en Bose-Einstein- fördelning. Denna distinkta typ av distorsion kallas $\mu$ -distortion efter den kemiska potential som är känd från standard termodynamik. Värdet för den kemiska potentialen kan uppskattas genom att kombinera fotonens energitäthet och antal densitetsbegränsningar från före och efter energiinjektionen. Detta ger det välkända uttrycket,

$$\mu \sim 1.4\;{\frac {\Delta \rho }{\rho }},$$

där ${\tfrac {\Delta \rho }{\rho }}$ bestämmer den totala energin som injiceras i CMB-fotonfältet. Med avseende på svartkroppens jämviktsspektrum kännetecknas ${\displaystyle \mu } -distorsionen av ett underskott av fotoner vid låga frekvenser och en ökning vid höga frekvenser.$ Distorsionen ändrar tecken vid en frekvens på ${\displaystyle \nu \sim 130{\rm {GHz}}} ,$ vilket gör att vi kan skilja den observationsmässigt från distorsionen av ${\displaystyle y} -typ.$

$\mu$ -distorsionssignaler kan skapas av sönderfallande partiklar, förångande ursprungliga svarta hål, primordiala magnetfält och andra icke-standardiserade fysikexempel. Inom $\Lambda$ CDM-kosmologi orsakar den adiabatiska kylningen av materia och förlusten av akustiska vågor som uppstår genom uppblåsning en $\mu$ -distorsion med $\mu \ sim 2\ gånger 10^{-8}$ . Denna signal kan användas som ett kraftfullt test för uppblåsning, eftersom den är känslig för amplituden av densitetsfluktuationer på skalor som motsvarar fysiska skalor av $\lambda \sim 0,6\,{\rm {kpc }}$ (dvs dvärggalaxer). Genom att kombinera COBEs mätningar av de storskaliga CMB-anisotropierna med $\mu$ -distorsionsbegränsningen kunde de första gränserna för det småskaliga effektspektrumet erhållas i god tid innan direkta mätningar blev möjliga

y -distortion era

Vid rödförskjutningar $z\lesssim 5\times 10^{4}$ blir även Compton-spridning ineffektiv. Plasman har en temperatur på ${\displaystyle T<10^{5}{\rm {K}}},$ så att CMB-fotoner förstärks via icke-relativistisk Compton-spridning, vilket ger upphov till en ${\ displaystyle y}$ -distortion. Återigen, genom att överväga problemets totala energi och använda bevarande av fotontal, kan man få uppskattningen

$$y\sim {\frac {1}{4}}\;{\frac {\Delta \rho }{\rho }}.$$

Namnet på $y$ -förvrängningen härrör helt enkelt från valet av dimensionslösa variabler i Zeldovich och Sunyaevs nystartade artikel, 1969. Där övervägdes energiinjektionen som orsakades av de heta elektronerna som finns inuti galaxhopar och associerad effekt kallas oftare för den termiska Sunyaev-Zeldovich (SZ) effekten . Liksom för $\mu$ -distorsion, kan i princip många icke-standardiserade fysikexempel orsaka $y$ -typ distorsioner. Men det största bidraget till all-sky $y$ -distorsionen härrör från den kumulativa kluster SZ-signalen, som ger ett sätt att begränsa mängden het gas i universum. Medan vid $z<10^{4}$ har den kosmiska plasman i genomsnitt en låg temperatur, kan elektroner inuti galaxhopar nå temperaturer på några keV. I detta fall kan spridningselektronerna ha hastigheter på ${\displaystyle v\sim 0.1c} ,$ så att relativistiska korrigeringar av Compton-processen blir relevanta. Dessa relativistiska korrigeringar bär information om elektrontemperaturer som kan användas som ett mått på klusterenergin.

Bortom μ och y distorsioner

De klassiska studierna betraktade huvudsakligen energiutsläpp (dvs. uppvärmning) som en källa till förvrängningar. Senare arbete har dock visat att rikare signaler kan skapas genom direkt fotoninjektion och icke-termiska elektronpopulationer, båda processer som uppstår i samband med att partiklar sönderfaller eller förstörs. På liknande sätt visades det att övergången mellan $\mu$ och $y$ -epoken är mer gradvis och att distorsionsformen inte bara ges av summan av $\mu$ - och $y$ . Alla dessa effekter skulle kunna göra det möjligt för oss att skilja observationsmässigt mellan ett brett spektrum av scenarier, eftersom ytterligare tidsberoende information kan extraheras.

Kosmologisk rekombinationsstrålning (CRR)

Cirka 280 000 år efter Big Bang blev elektroner och protoner bundna till elektriskt neutrala atomer när universum expanderade. Inom kosmologi är detta känt som rekombination och föregår frikopplingen av CMB-fotoner från materia innan de strömmar fritt över hela universum cirka 380 000 år efter Big Bang. Inom energinivåerna för väte- och heliumatomer sker olika interaktioner, både kollisionsmässiga och strålande. Linjeemissionen som härrör från dessa processer injiceras i CMB och visar små förvrängningar på CMB:s svartkropp som vanligtvis kallas kosmologisk rekombinationsstrålning (CRR). Den specifika spektrala formen av denna distorsion är direkt relaterad till den rödförskjutning vid vilken denna emission äger rum, och fryser distorsionen i tid över mikrovågsfrekvensbanden. Eftersom distorsionssignalen uppstår från väte- och två heliumrekombinationsepoker, ger detta oss en unik sond av pre-rekombinationsuniversum som gör att vi kan kika bakom den sista spridningsytan som vi observerar med CMB-anisotropierna. Det ger oss ett unikt sätt att begränsa den ursprungliga mängden helium i det tidiga universum, före rekombination, och mäta den tidiga expansionshastigheten.

Experimentella och observationsutmaningar

De förväntade Lambda-CDM (LCDM) distorsionssignalerna är små -- Den största distorsionen, som härrör från det kumulativa flödet av all het gas i universum, har en amplitud som är ungefär en storleksordning under gränserna för COBE/FIRAS. Även om detta anses vara ett "lätt" mål, har den kosmologiska rekombinationsstrålningen (CRR), som den minsta förväntade signalen, en amplitud som är ytterligare en faktor 10 3 {\ $^{3}}$ mindre. Alla LCDM-förvrängningar döljs dessutom av stora galaktiska och extragalaktiska förgrundsemissioner (t.ex. damm, synkrotron och fri-fri emission, kosmisk infraröd bakgrund), och för observationer från marken eller ballonger utgör atmosfärisk emission ytterligare ett hinder att övervinna.

En detektering av LCDM-distorsionerna kräver därför nya experimentella tillvägagångssätt som ger oöverträffad känslighet, spektral täckning, kontroll av systematik och förmåga att exakt ta bort förgrunder. Byggande på designen av FIRAS och erfarenhet med ARCADE , har detta lett till flera spektrometerkoncept att observera från rymden (PIXIE, PRISM, PRISTINE, SuperPIXIE och Voyage2050), ballong (BISOU) och marken (APSERa och Cosmo vid Dome-C, TMS vid Teide-observatoriet ). Dessa är alla utformade för att nå viktiga milstolpar för att upptäcka CMB-förvrängningar. Som en yttersta gräns kan en fullständig karakterisering och exploatering av den kosmologiska rekombinationssignalen uppnås genom att använda en samordnad internationell experimentkampanj, eventuellt innefattande ett observatorium på månen

I juni 2021 presenterade European Space Agency sina planer för framtida L-klassuppdrag som en del av Voyage 2050 med en chans till " högprecisionsspektroskopi" för den nya tidiga universumdelen av deras strategi, vilket öppnar dörren för spektrala distorsionsteleskop för framtiden.

Se även

• Bremsstrahlung
• Compton-spridning
• Kosmisk bakgrundsutforskare
• Kosmisk bakgrundsbildare
• Kosmisk mikrovågsugn bakgrund
• Kosmologisk störningsteori – teori genom vilken strukturutvecklingen förstås i big bang-modellen Sidor som visar wikidata-beskrivningar som en reserv
• Grad vinkelskala interferometer
• European Space Agency Science Program
• Gravitationsvågsbakgrund – Slumpmässig gravitationsvågssignal som potentiellt kan detekteras av gravitationsvågsexperiment
• Lista över kosmiska mikrovågsbakgrundsexperiment
• Observationskosmologi – Studie av universums ursprung (struktur och evolution)
• Ursprungliga fluktuationer
• Rekombination (kosmologi)
• Sachs-Wolfe-effekten
• Sunyaev-Zeldovich-effekten