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                微波辐射中温度波动是咋来的?现在╲的星系团会不会对其有影响?

                发布时间:2020-11-06 作者:上海芸尖智能科技有限公司 点击次数:214

                内容概要:微波背景辐射的发现揭示宇宙热大爆炸的起源,天空中近乎完美的均匀和微小的温度波动为我们揭示了宇宙诞→生时所发生的事情。那么你可能有个疑问:微波辐射中冷热点的温度波动是怎么来的?如果它是受到了早期物质分布的密度影响,那宇宙中现存的星系、星系团会不会也在影响我们看到微...

                热』大爆炸发生时,宇宙只是由一团粒子、反粒子和辐射○组成的高温物质浓汤。这时的宇宙空间曲率和物质分布几乎是平坦和均匀的(但︾不完全是)。因为暴胀在热大爆炸之前拉伸了整个宇宙空间,让可见宇宙的曲率为零⊙,也□让无处不在的微小量子涨落充满了¤整个可观测宇宙,形成了密度过高和密度过低的区域。

                这时的宇宙一直在膨胀,而万有引力却想把一切▆都拉到一起,物质和能量密度过高的区域会吸引越来越多的物质,并试图在所有的尺度【上重新让宇宙坍缩。当万有引力与膨胀之间展开撕扯斗争时,宇宙也ㄨ在冷却,因为膨胀的宇宙不仅导致单位体积的物质被稀释,它还拉↓伸了辐射粒子,也就是光的波长。

                当宇宙冷却到足以打破正反物质的对称性,多余的粒子-反粒子对湮灭,质子和中子形成稳定的原子核,最后直到宇宙可以首次稳定的形成→中性原子,因为此时的辐射能量已经太低,不足以再次电离中性原子。这个时候大爆炸留下的余¤晖,也就是光子可以沿着直线自由的传播而不会受■任何阻碍,因为之前导致光子卐散射的自由电子最终都和原子核结合在了一▽起,形成了中々性原子。微波辐射光子最后的发出也被称为“最后的散射面”

                此时的辐◥射本身是完全均匀且温度相同。但我们看到的微波辐射并不完全均匀。暴胀不仅造成了密度略高和密度略低的区域,而且⊙在某些尺度上(尤其是较小的尺度),引力会使这些密度过高和密度过低的区域持续增长。

                还记得爱因斯坦的广义相对论所提出的最重要概念ㄨ吗?物质和能量的存在可以使空间弯曲。如果一个空间区域的物质密度过高(有更多的物质和更多的】能量),那么这个位置的空间会被】弯曲的更加严重,这意味着任何爬出这个区域的光都会发生引力红移。

                因此,如果一开始所有的光线都有相同的温度,但有些区域的密↓度比平均值大或小,那么光线完全爬出这些区域,进入我们的眼睛会发生什么?

                由于引力红♀移高于平均水平,密度〗较大的区域看起来更冷,而密度较小的区域由于引力红移低于平均水平,看起来更热。这就︻是所谓的非完全萨克斯–沃@ 尔夫效应。这个效应发生在最后的散射面上,此影响是CMB波动的主要来源。

                当我们看到宇宙微波背景辐射(CMB)的√温度波动时,其中的冷点将对应于密度过高的区域,由于引力的作用,这些区域将在未来形成比平均水平更密集的恒星、星系和星系团。另一方面,热点是密度较低的区域,平均而言,这些区域会将〇更多的物质转移到密度较高的周边区域,因此会产生比平均水平更少的恒星、星系和星团。

                其实它们也会对微波辐射的光子造成同▂样的影响,当这些原始辐射从恒星、星系、星系团的引力井里爬出来时,也会发生引力红移▲。毕竟就像哈勃告诉我们的那样,宇宙中充满了星系,即使在我们看来空无一物的空间区域内也充满了大量的星系。

                正常情况下星系或者星系团不会◥对微波辐射的光子造成任何影响。因为当光子第一次落入引力井时,它被蓝移了一㊣定的数量,而当它再次爬出♀引力井时,它又被红移了相同的数量!

                但是,当光子落入的引力井时,有两种特殊的效应可以改变光子的能量,而且这两︼种效应都会影响到CMB:

                星系/星系团中的气体,由于其温度和运动,会引起宇宙微波背景辐射温度的变化。这被称为苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应(分别是热分量和运动学分量),并且已经在几个星系团中被◥预测和检测到了。它说的主要是星系团中的高能电子会与微波辐射的光子发生作用,将一部分能量转移到光子身上,这样就会造成高能光子增加,使得微波辐射不再是理想的╱黑体辐射。

                星系团的引力势井(无论它们是密度过高还是过低)可以在一个光子』下落并逃逸的过程中,使其波长微妙的或增或减,并随时间改变其能量。这就是所谓的完全萨克斯–沃尔夫效应,它实际∏上是在大规模波动中发挥了作用,并且发生在最后的散射面到地球之间,因此它不是CMB的原始波动。这▽个效应产生的原因是,由于↘暗能量的加速膨胀,大规模引力势阱(超星系团)和宇宙超空洞会随着光子穿过它们的时间发生引力衰减∑或增强。一个光子进入一个引力势阱(超星系团)会得到能量,在光子离开时,引力势阱会被膨胀拉长和变浅,那么光子就会保留了一部〓分能量。同样地,光子必须消耗能量进入超空间,但当它离开稍微被压扁的势垒时,就不会把损失的能量☉全部收回,也就是说光子的能量会降低。

                事实上,有一段时间我们很难解释微波辐射中存在一个大范围的冷点,它々看起来比平均温度低了好多,在理论上∞不可能存在。

                但是在对该区域的星系进行观察之后,我们确定在这个巨大的区域中,星系数量比平均数量少了20%,这意味着这是一个巨大的宇宙空洞,也就是上文说的超空间,由于完全萨克斯》–沃尔夫效应改变了超空◆间的引力势阱,导致穿过这个区域的Ψ CMB光会发生额外的红移,或者比平均温度更冷。

                从宇宙微波背景辐射中▅产生的冷点只是一个普通的冷点,而这个“超空间”又导致了这一区域的额外冷却,这只是一个普通的低密度区域。我们通过将ζ星系地图和宇宙微波背景辐射联系〖起来,实际上我们可以在任何引力或天体物理效应发挥作用之前,更好地理解宇宙在它诞生时的样子!

                这就是宇ζ 宙微波辐射波动的最初来源和后期星系团对波动的影响。

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