Cosmology-microwave-background
宇宙論-宇宙マイクロ波背景
CMB（Cosmic Microwave Background）は、本質的に物質と放射が平衡状態にあったときの光子で構成されています。 1920年代までに、膨張する宇宙のアイデアが受け入れられ、いくつかの質問に答えることができました。 しかし、より重い元素の豊富さと豊富さについての質問は未回答のままでした。 さらに、膨張する宇宙は、物質の密度が0まで減少することを暗示していました。
1948年、ジョージガモフとラルフアルファーは、「ビッグバン」を使用して、より重い元素の起源と豊富さを説明しました。 彼らはロバート・ハーマンとともに、「残された放射線」または「ビッグバン」からの放射線の存在を予測しました。 この残留放射の予測温度は50〜6 Kでした。 1965年、ロバートディッケ、ジムピーブルズ、デビッドウィルキンソンとアモペリジアスの研究グループが実験的にCMBを検出しました。
初期の宇宙は非常に暑く、エネルギーが高すぎて物質を中立に保つことができませんでした。 したがって、物質はイオン化された形-*プラズマ*でした。 放射線（光子）と物質（プラズマ）は、主に次の3つのプロセスを通じて相互作用しました。
- コンプトン散乱-（主要な相互作用プロセス）高エネルギー光子と低エネルギー荷電粒子間の非弾性散乱。
- トムソン散乱-自由荷電粒子による光子の弾性散乱。
- 逆コンプトン散乱-高エネルギー荷電粒子と低エネルギー光子。 これらの相互作用により、最終的に物質と放射は熱平衡状態になりました。
熱平衡
熱平衡では、放射は* Planckのエネルギー分布*に従います。
B_v（T）= \ frac \ {2hv ^ 3} \ {c（e ^ \ {hv/k_BT} -1）}
この間、頻繁に相互作用するため、光子の平均自由行程は非常に小さくなりました。 宇宙は放射線に対して不透明でした。 初期の宇宙は放射線が支配的でした。 宇宙は物質と放射が熱平衡に達し、エネルギー密度が等しくなるように進化しました。 これは、スケール係数による密度の変化を示すグラフから見ることができます。 物質と放射が平衡に達したスケール係数（時間）（a（t））を見つけましょう。
\ rho_m \ propto \ frac \ {1} \ {a ^ 3}、\：\ rho_r \ propto \ frac \ {1} \ {a ^ 4}
\ frac \ {\ rho _ \ {m、t}} \ {\ rho _ \ {r、t}} = \ frac \ {\ Omega _ \ {m、t}} \ {\ Omega _ \ {r、t} } = \ frac \ {\ Omega _ \ {m、0}} \ {\ Omega _ \ {r、0}} a（t）
平衡状態で、
\ frac \ {\ rho _ \ {m、t}} \ {\ rho _ \ {r、t}} = \ frac \ {\ Omega _ \ {m、t}} \ {\ Omega _ \ {r、t} } = 1
\ Rightarrow \ frac \ {\ Omega _ \ {m、0}} \ {\ Omega _ \ {r、0}} a（t）= 1 \：\ Rightarrow a（t）= 2.96 \ times 10 ^ \ { -4}
$ \ Omega _ \ {m、0} = 0.27 $および$ \ Omega _ \ {r、0} = 8 \ times 10 ^ \ {− 5} $を使用します。 このスケール係数に対応する赤方偏移は、
z = 1/a（t）-1 \ approx 3375
宇宙の膨張により、放射線のエネルギー密度は低下しました。 したがって、宇宙は冷え始めました。 光子のエネルギーが減少し始めると、中性原子が形成され始めました。 したがって、1300の赤方偏移の前後で、中性の水素が形成され始めました。 この時代は3000Kに近い温度でした。
物質と放射線の相互作用は非常にまれになり、宇宙は放射線に対して透明になり始めました。 この期間は*「最後の散乱の表面」*と呼ばれます。これは、光子の平均自由行程が非常に大きくなり、この期間後に散乱がほとんど生じなかったためです。 *「Cosmic Photosphere」*とも呼ばれます。
覚えておくべきポイント
- CMBは、物質と放射線が平衡状態にあったときの光子で構成されています。
- 初期の宇宙は非常に高温であり、エネルギーは物質が中性を維持するには高すぎるため、イオン化物質プラズマとして存在していました。
- コンプトン散乱、トムソン散乱、逆コンプトン散乱は、3つの物質と放射線の相互作用プロセスでした。
- 宇宙は進化し、物質と放射線は熱平衡に達しました。
