K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 1

DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija

Kārlis Bērziņškberzins@latnet.lv

3. lekcija. Reliktais mikroviļņu fona starojums.

2007.09.10.

DABAS VĒSTUREI daļa (5 lekcijas) Kosmiskā evolūcija

Kārlis Bērziņškberzins@latnet.lv

1. Ievads kosmoloģijā.2. Visuma evolūcijas pamati.3. Reliktais mikroviļņu fona starojums.4. Visuma struktūras veidošanās un attīstība.

Alternatīvās kosmoloģiskās teorijas.5. Zvaigžņu fizikas pamati.

Saules sistēmas kosmogonija.

2007.09.10.

Kursa I daļas temati:

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 2

DABAS VĒSTURE3. lekcija

• Reliktā starojuma rašanās fizikālais mehānisms. • Reliktā starojuma atklāšana.• Absolūti melns ķermenis. Mikroskopiskas anizotropijas. • Mikroviļņu fona novērojumu eksperimenti

uz Zemes virsmas, atmosfērā un kosmosā.• Reliktā starojuma informācijas nozīmīgums kosmoloģijā.

2007.09.10.

Lekcijas temati:

Reliktais mikroviļņu fona starojums.

300 000

gadi

CMBR, CMB – cosmic microwave background radiation.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 3

Visuma evolūcija (atkārtojums)

T = 3000 K ⇒ RekombinācijaStarojums atdalās no vielas = reliktais starojumsT0= 2.728 ± 0.004 K

(T = 6000 K)

COBE Apmēram tajā pašā laikā iestājas matērijas ēra:

Visums ir ļoti homogens 1:100000No šīm nehomogenitātēm izaug Visuma struktūra!

Rekombinacijas virsmaHorizonta rādiusa leņķiskie izmēri:

θHorizonts~2º

Pēdējās izkliedes virsma

z~1000

aukstāks

karstāks

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 4

Mikroviļņu fona jeb reliktais starojums

G.Gamow un R.Dicke paredzēja ~5K relikto starojumu jau 1940. gados.

Saīsinājumi: CMB vai CMBR – Cosmic Microwave Background Radiation

Adams (1941) konstatēja ierosinātas starpzvaigžņu CN molekulas, McKellar (1941) novērtēja starojuma lauka T=2.3K @ λ=2.64mm.

1964 g. sākumā Robert H. Dicke, P.J.E. Peebles, P.G.Roll, D.T.Wilkinson grupa uz Princtonas universitātes jumta iesāka būvēt pirmo CBR eksperimentu.

“Well boys, we’ve been scooped!”

Reliktā starojuma atklāšana

Interesanti, ka dažus % no TV trokšņa veido reliktais starojums!

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 5

Reliktā starojuma atklāšana

7.35 cm radio viļņa sakaru eksperimentos Penzias un Wilson konstatēja lieku 3.5K troksni, no kuriem

0.5K – dēļ baložiem3K – ?

Nobela prēmija fizikā 1978. gadā.

2006. gada Nobela prēmija fizikā

par kosmiskā mikroviļņu fona starojuma absolūti melna ķermeņa formas

un anizotropiju atklāšanu

John C. Mather George F. Smoot

T = 2.725 ±0.002 K

± 30μK rms

θ = 7º

DMR: 90, 53, 31.5 GHz (3.3, 5.7, 9.5 mm)

Mather et al. 1999

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 6

COsmic Background Explorer COBE

• Darbs pie projekta iesākās jau 1974. g.

• 1989.g. 18. novembrī Delta nesējraķete veiksmīgi ievadīja COBE vajadzīgajā orbītā ap Zemi.

• +10 gadi, risinot datu apstrādes problēmas.

COBE orbīta

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 7

Datu apstrādes problēmas• Liels datu apjoms• Nepieciešami jauni algoritmi

Hu & Dodelson 2002

COsmic Background Explorer COBE

3 instrumenti:• DIRBE • DMR• FIRAS

DIRBEFIRAS

DMR

Observatorijas

izmēri ar Saules paneļiem: 8.5 m;

augstums: 5.5 m;

svars: 2.300 kg

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 8

DIRBE

Diffuse InfraRed Background ExplorerProjekta vadītājs: Mike Hauser

Uzdevums: mērīt IS fona intensitāti.

DIRBE

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 9

FIRAS

Far InfraRed Background ExplorerProjekta vadītājs: John Mather

Uzdevums: mērīt CMB spektrālo sadalījumu 0.1-10 mm

Perfekts absolūti melns ķermenis

Mather et al.1990

T = 2.735 ± 0.060 K

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 10

Perfekts absolūti melns ķermenis

( ) 1/exp12/ 5

2

−=

kThchcddF

λλλ

F = σ Teff4

Perfekts absolūti melns ķermenis

Kļūda ir 400σ !!!

FIRAS0,1-10 mm

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 11

Perfekts absolūti melns ķermenis

Mather et al. 1999: T = 2.725 ± 0.002 K

Lielais Sprādziens apstiprināts

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 12

Lielais Sprādziens apstiprinātsReliktais starojumsT = 3 K1:100 000 fluktuācijasmm-cm viļņu diapazons400 fotoni cm-31013 fotoni sekundē caur cm2

DMRDiferential Microwave Radiometer

Projekta vadītājs: George SmootUzdevums: mērīt anizotropiju @ 3, 6 un 10 mm.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 13

CBR anizotriopija

∆T= ~30 µK @ ∆θ=10° (∆T= ~90 µK @ ∆θ=1/2°)

COBE DMR

CMB anizotropijaDipola moments

100% 3 K

0.1% 3 mK

v

20 µK

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 14

CMB anizotropijaDipola moments

100% 3 K

0.1% 3 mK

v

Saules sistēma kustas attiecībā pret CBR Lauvas zvaigznāja virzienā 371±0.5 km/s.

Dipola ∆T = ± 3.3 mK

CMB anizotropijas

Fluktuācijas 1:105 DMR: 90, 53, 31.5 GHz (3.3, 5.7, 9.5 mm)

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 15

CMB anizotropijas

Zeme, kāda tā tiktu novērota ar COBE izšķiršanas spēju

Ted Bunn

COBE vs. WMAP

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 16

COBE vs. WMAP

CBR spektrs pirms 2003

Teorētiski iespējams precizēt

visus kosmoloģiskosparametrus.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 17

... un 2007. gadāWMAP 3 gadi

CMB jaudas spektrs

IR iespējamsprecizēt visuskosmoloģiskos

parametrus!

WMAP 2 gadi

Ani

zotr

opija

s ja

uda

(µK2

)

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 18

Jaudas spektrsSfēriska harmonika

0

1

2

Sfēriskā harmonika

Clem Pryke

Deg

ree

l

Order m

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 19

CMB jaudas spektrs

Clem Pryke

Individuāli multipoli Kumulatīvi multipoli

33 GHz41 GHz

WMAP 3 gaduattēli

23 GHz

61 GHz94 GHz

Marts 2006.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 20

CBR polarizācija

WMAP 2006

WMAP datu apstrāde

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 21

Daži svarīgākie CMB novērošanas eksperimenti

• Zemes eksperimenti:DASI

• Balonu eksperimenti:BOOMERanGMAXIMA

• Kosmiskie eksperimenti:COBE (COsmic Background

Explorer) 1989-1992WMAP (Wilkinson

Microwave Anisotropy Probe) kopš 1991.g.Planck (COBRA/SAMBA) –

plānots 2008g. 31.jūlijā1

MAP foto

Tenerifes eksperimentsCMB eksperiments

(1984-2000)Kanāriju salās

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 22

CMB eksperiments (1984-2000)

Kanāriju salās

Tenerifes eksperiments

Bērziņš 1997

DASIThe Degree Angular

Scale Interferometer

Antarktikas eksperiments

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 23

TopHatBalona Eksperiments

TopHatBalona Eksperiments

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 24

BOOMERanGBaloon Observations of

Milimetric Radiation and Geophysics

WMAPDelta II raķetes starts

2001.g. 30. jūnijā

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 25

WMAP orbīta pie L2 Starts

-300 300

PlanckPlanckPlanck simul’etais CMB att’elssalidzinot ar COBE.

WMAP 2 gadi

-300 300 -300 300

WMAP 8 gadi

-100 100

Cobe

Planck 1 gads

-300 300

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 26

WMAP un Planck jūtība

W.Hu

Kosmoloģisko parametru precizēšanaKosmoloģiskie parametri nav neatkarīgi, bet ir saistīti savā starpā!

Planck Phase A study

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 27

DM un CMB fluktuācijasDodelson 2001

Barioniskās matērijasdaudzums

W.Hu

Kosmoloģiskieparametri

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 28

Matērijas daudzums

W.Hu

Kosmoloģiskieparametri

WMAP

No James Schombert

Visums sastāv no:

Teorētiski iespējams precizēt

visus kosmoloģiskosparametrus.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 29

Visuma rejonizācija modelisPage et al.

The line marked "x" is the ionization fraction, x=ne/nwhere ne is the number of electrons and

n=11.2ωb(1+z)3 m-3is the number of protons with ωb the baryon density.

Mikroviļņu debess galvenie avotiHinshaw et al.

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 30

Sunajeva-Zeļedoviča efekts

Adopted from L. Van Speybroeck

SZ efekts

CMB• WMAP

Tegmark

K.Bērziņš 2007, Dabas vēsture: Kosmiskā evolūcija 3 31

Kosmoloģisko parametru vērtības Bennett et al. 2003

± ±

Visuma evolūcija