CMB放射とコーブの異方性

この章では、CMB放射とCOBEの異方性、つまりCosmic Background Explorerについて説明します。

CMBの一次異方性

宇宙からの観測と宇宙マイクロ波背景放射の主な異方性を理解するために、次の方程式を取り、下に示すように理解してみましょう。

CMB光子数密度（n〜γ〜、0）

n _ \ {\ gamma、0} = \ frac \ {合計\：エネルギー\：密度} \ {特性\：エネルギー\：of \：Photons}

n _ \ {\ gamma、0} = \ frac \ {aT_0 ^ 4} \ {k_BT_0}

ここで、$ k_B $は*ボルツマン定数*であり、$ T_0 $は*現在の宇宙の温度*です。

現在の温度$（T_0）$を2.7 Kとして使用すると、現在のCMB光子数密度は400 cm ^ −3 ^になります。

宇宙の星の光子数密度は、大規模ではるかに小さい（〜= 10 ^ −3 ^ cm ^ −3 ^）。

バリオン対フォトン比（η）

CMBと混合される銀河からの星の寄与が無視できる場合、陽子に対するバリオンの比率は-

\ eta = \ frac \ {n _ \ {b、0}} \ {n _ \ {\ gamma、0}}

現在の値は、約5×10 ^ −10 ^です。光子とバリオンの数密度は両方とも a ^ −3 ^ に比例するため、*η*は時間とともに変化しません。

エネルギー密度

数密度とは対照的に、物質エネルギー密度は現在の光子エネルギー密度よりも支配的です。

バリオン物質のエネルギー密度= $ \ rho _ \ {b、0} c ^ 2 = 0.04 \ rho_cc ^ 2 = 2×10 ^ \ {− 9} ergcm ^ \ {− 3} $。一方、放射線のエネルギー密度= $ aT_0 ^ 4 = 4 \ times 10 ^ \ {− 13} ergcm \ {− 3} $。

CMB放射の等方性

*Penzias* および *Wilson* は、CMBが観測範囲内で等方性であることを発見しました。 限界は、低角度分解能と機器の感度です。 彼らは地球から観測を行ったため、大気中の水蒸気は1mmから1mの範囲の多くの波長を吸収するため、すべてのスペクトルを通して観測することはできません。 そのため、CMBはスペクトルとして断定できません。

CMBは回転不変（等方性）であると考えられています。物質と放射が平衡状態にあった時代があったため、宇宙での構造の形成は説明できません。物質の分布は等方性ではなく、間に巨大な空隙がある宇宙のウェブのように一緒に集まっているため、CMBは銀河系外起源であると考えられています。

しかし、宇宙からの観測が始まると、CMBに異方性が見つかり、これらの異方性が構造の形成につながるという推論につながります。

宇宙からのCMB放射の観測

CMBを観察するために打ち上げられた主な衛星は-

Cosmic Microwave Background Explorer （COBE、1989）
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe （WMAP、2001）および
プランク（2009）。

COBE（Cosmic Background Explorer）

COBEには主に2つの機器がありました。それらは、遠赤外線絶対分光計（FIRAS）および*差動マイクロ波放射計*（DMRアンテナ）でした。 FIRASは、特定の方向に沿った波長の関数としてCMBの強度を測定します。一方、DMRには3つの異なる方向からのCMBの強度の差を測定するための3つのアンテナがあります。以下のポインターは、FIRASおよびDMRに関する詳細情報を提供します。

FIRASからのCMB観測は、CMB放射がT = 2.72528±0.00065 Kでの黒体スペクトルに対応することを示しています。
DMRは、空のすべての方向で3つの周波数（31.5 GHz、53 GHz、90 GHz）を測定します。
DMR観測の「赤いバットマンシンボル」は、前景放射（銀河の拡散シンクロトロン放射）からのノイズです。
観測値の強度変動は温度変動に対応しています。ホットスポットとコールドスポットの存在は、CMB放射が異方性であることを証明しています。
この異方性は、CMBに歪みがないため、デカップリング時に存在する必要があります。したがって、物質には他のポケットよりも密度の高いポケットがいくつかあるはずです。

COBE結果

CMBスペクトル（エネルギーの関数としての強度）は、T = 2.7 Kに対応するほぼ完全な黒体です。 CMB放射の比強度は、すべての方向でほぼ同じです。宇宙が大規模で等方性であることの確認（宇宙論的原理の仮定を検証します）。

データの分析により、COBE（DMR）の分解能でCMBスペクトルに温度異方性（「変動」）があることが示されました。

COBE、WMAP、Planckの解像度*
COBE搭載のDMR機器は、〜7度の制限（最大）空間分解能を備えていました。
ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ（WMAP）の平均分解能は約0.7度でした。
Planck衛星の角度分解能は約10アーク分です。

覚えておくべきポイント

宇宙の星の光子数密度は、CMBの光子数密度よりもはるかに小さい。
物質のエネルギー密度は光子のエネルギー密度よりも高いため、物質が支配する宇宙に住んでいます。
COBE、WMAP、Planckは、CMBの異方性を測定および定量化する取り組みです。
宇宙での構造の形成は、CMB異方性の結果です。

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