Kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės smulkioji struktūra

კოსმოსური მიკროტალღური ფონური გამოსხივების (KFS) დეტალური სტრუქტურა

ტემპერატურის ანიზოტროპიები და პოლარიზაცია, რომლებიც ადრეული სიმკვრივის ფლუქტუაციების შესახებ ინფორმაციას ავლენს

ადრეული სამყაროს სუსტი ნათება

დიდი აფეთქებიდან მალევე სამყარო წარმოადგენდა პროტონების, ელექტრონებისა და ფოტონების ცხელ, მკვრივ პლაზმას, რომელშიც ურთიერთქმედებები განუწყვეტლივ მიმდინარეობდა. სამყაროს გაფართოებისა და გაცივების შედეგად, დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით 380 ათასი წლის შემდეგ დადგა დრო, როდესაც პროტონებსა და ელექტრონებს ნეიტრალურ წყალბადში გაერთიანება შეეძლოთ - ეს იყო რეკომბინაცია. შედეგად ფოტონების გაფანტვის ალბათობა მკვეთრად შემცირდა. ამის შემდეგ ამ ფოტონებმა თავისუფლად გავრცელება დაიწყეს და შექმნეს კოსმოსური ფონური მიკროტალღური გამოსხივება (KFS).

პენზიასმა და უილსონმა ის 1965 წელს თითქმის ერთგვაროვანი ~2,7 K ტემპერატურის გამოსხივების სახით აღმოაჩინეს; იგი დიდი აფეთქების მოდელის ერთ-ერთ ყველაზე მყარ დადასტურებად იქცა. დროთა განმავლობაში სულ უფრო მგრძნობიარე ინსტრუმენტებმა გამოავლინა ძალიან მცირე ანიზოტროპიები (ტემპერატურის არაერთგვაროვნება, რომელიც 105-დან ერთ ნაწილს აღწევს), აგრეთვე პოლარიზაციის ნიმუშები. ეს ნიუანსები ადრეული სამყაროს სიმკვრივის ფლუქტუაციების კვალს წარმოადგენს - იმ ჩანასახებს, რომელთაგანაც მოგვიანებით გალაქტიკები და გროვები წარმოიშვა. ამრიგად, KFS-ის დეტალური სტრუქტურა ფასდაუდებელ ინფორმაციას შეიცავს კოსმოსური გეომეტრიის, ბნელი მატერიის, ბნელი ენერგიისა და პირველადი პლაზმის ფიზიკის შესახებ.

2. KFS-ის ფორმირება: რეკომბინაცია და განშორება

2.1 ფოტონებისა და ბარიონების სითხე

დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით 380 ათას წლამდე (წითელი წანაცვლებისას z ≈ 1100) მატერია ძირითადად არსებობდა თავისუფალი ელექტრონების, პროტონებისა და ჰელიუმის ბირთვებისგან შემდგარი პლაზმის, აგრეთვე ფოტონების სახით. ფოტონები ძლიერ ურთიერთქმედებდნენ ელექტრონებთან (ტომსონის გაფანტვა). ასეთმა ფოტონ-ბარიონების მჭიდრო კავშირმა გამოიწვია ის, რომ ფოტონების წნევა ნაწილობრივ ეწინააღმდეგებოდა გრავიტაციულ შეკუმშვას და წარმოქმნიდა აკუსტიკურ ტალღებს (ბარიონულ აკუსტიკურ ოსცილაციებს).

2.2 რეკომბინაცია და ბოლო გაფანტვა

როდესაც ტემპერატურა ~3000 K-მდე დაეცა, ელექტრონებმა პროტონებთან შეერთება და ნეიტრალური წყალბადის წარმოქმნა დაიწყეს - ეს პროცესი ცნობილია როგორც რეკომბინაცია. ამის შემდეგ ფოტონები გაცილებით იშვიათად იფანტებოდნენ, „გამოეთიშნენ“ მატერიას და თავისუფლად გავრცელდნენ. ეს მომენტი განისაზღვრება როგორც ბოლო გაფანტვის ზედაპირი (LSS). მაშინ გამოსხივებული ფოტონები დღეს KFS-ის სახით რეგისტრირდება, თუმცა დაახლოებით 13,8 მილიარდი წლის განმავლობაში კოსმოსის გაფართოების შედეგად მათი სიხშირე მიკროტალღურ დიაპაზონში გადავიდა.

2.3 შავი სხეულის სპექტრი

KFS-ის თითქმის იდეალური შავი სხეულის სპექტრი (ზუსტად გაზომილი COBE/FIRAS-ის მიერ 1990-იან წლებში), რომლის ტემპერატურაა T ≈ 2,7255 ± 0,0006 K, დიდი აფეთქების წარმოშობის მნიშვნელოვანი მაჩვენებელია. სუფთა პლანკის მრუდიდან უმნიშვნელო გადახრები მოწმობს, რომ ადრეული სამყარო უკიდურესად თერმულად გაწონასწორებული იყო და განშორების შემდეგ მასში ენერგიის მნიშვნელოვანი „ინექციები“ თითქმის არ ყოფილა.

3. ტემპერატურის ანიზოტროპიები: პირველადი ფლუქტუაციების რუკა

3.1 COBE-დან WMAP-სა და Planck-მდე: მზარდი გარჩევადობა

  • COBE (1989–1993)-მა აღმოაჩინა ანიზოტროპიები ΔT/T ∼ 10-5 დონეზე და ამით ტემპერატურის არაერთგვაროვნებები დაადასტურა.
  • WMAP (2001–2009)-მა გაზომვები ~13 კუთხური წუთის გარჩევადობამდე დააზუსტა და კუთხური სიმძლავრის (power) სპექტრში აკუსტიკური პიკების სტრუქტურა გამოავლინა.
  • Planck (2009–2013)-მა კიდევ უფრო მაღალი გარჩევადობა (~5 კუთხური წუთი) და რამდენიმე სიხშირულ არხში დაკვირვებები უზრუნველყო, რითაც უპრეცედენტო ხარისხს მიაღწია. მან KFS-ის ანიზოტროპიები მაღალ მულტიპოლებამდე (ℓ > 2000) გაზომა და კოსმოლოგიური პარამეტრები განსაკუთრებული სიზუსტით შეზღუდა.

3.2 კუთხური სიმძლავრის სპექტრი და აკუსტიკური პიკები

კუთხური სიმძლავრის სპექტრი, Cℓ, აღნიშნავს ანიზოტროპიების დისპერსიას მულტიპოლის ℓ-ის ფუნქციის სახით. ℓ დაკავშირებულია კუთხურ მასშტაბთან θ ∼ 180° / ℓ. მასში აკუსტიკური პიკები წარმოიქმნება ფოტონ-ბარიონულ სითხეში ზემოხსენებული აკუსტიკური რხევების გამო:

  1. პირველი პიკი (ℓ ≈ 220): დაკავშირებულია ფუნდამენტურ აკუსტიკურ რეჟიმთან. მისი კუთხური მასშტაბი აჩვენებს სამყაროს გეომეტრიას (სიმრუდეს). პიკი ℓ ≈ 220-ზე ძლიერ მიუთითებს თითქმის ბრტყელ სამყაროზე (Ωtot ≈ 1).
  2. სხვა პიკები: ინფორმაცია ბარიონების რაოდენობის შესახებ (ზრდის კენტ პიკებს), ბნელი მატერიის სიმკვრივის შესახებ (გავლენას ახდენს რხევების ფაზებზე) და გაფართოების სიჩქარის შესახებ.

პლანკის მონაცემები, რომლებიც რამდენიმე პიკს მოიცავს ℓ ∼ 2500-მდე, კოსმოლოგიური პარამეტრების პროცენტული სიზუსტით განსაზღვრისას „ოქროს სტანდარტად“ იქცა.

3.3 თითქმის მასშტაბინვარიანტული სპექტრი და სპექტრული ინდექსი

ინფლაცია წინასწარმეტყველებს პირველადი ფლუქტუაციების სიმძლავრის თითქმის მასშტაბინვარიანტულ სპექტრს, რომელიც ჩვეულებრივ აღიწერება სკალარული სპექტრული ინდექსით ns. დაკვირვებები აჩვენებს, რომ ns ≈ 0,965, რაც ოდნავ ნაკლებია 1-ზე და შეესაბამება ნელი გორვის (slow-roll) ინფლაციის სცენარს. ეს საიმედოდ უჭერს მხარს ამ სიმკვრივის perturbაციების ინფლაციურ წარმოშობას.

4. პოლარიზაცია: E-მოდები, B-მოდები და რეიონიზაცია

4.1 ტომსონის გაფანტვა და ხაზობრივი პოლარიზაცია

როდესაც ფოტონები ელექტრონებზე იფანტებიან (განსაკუთრებით რეკომბინაციის მახლობლად), გაფანტვის ადგილას გამოსხივების ველის ნებისმიერი კვადრუპოლური არაერთგვაროვნება ქმნის ხაზობრივ პოლარიზაციას. ეს პოლარიზაცია იყოფა E-მოდებად (გრადიენტულებად) და B-მოდებად (მორევებით განპირობებულებად). E-მოდები უმეტესად სკალარული (სიმკვრივის) perturbაციებიდან წარმოიქმნება, ხოლო B-მოდები შეიძლება შეიქმნას გრავიტაციული ლინზირების შედეგად წარმოქმნილი E-მოდებიდან ან პირველადი ტენზორული (გრავიტაციული ტალღების) მოდებიდან, რომლებიც ინფლაციის დროს წარმოიქმნა.

4.2 E-მოდების პოლარიზაციის გაზომვები

WMAP-მა პირველმა მკაფიოდ დააფიქსირა E-მოდების პოლარიზაცია, ხოლო Planck-მა ეს გაზომვები კიდევ უფრო გააუმჯობესა, რამაც შესაძლებელი გახადა რეოიონიზაციის ოპტიკური სიღრმის (τ) უკეთ შეფასება და იმის დაზუსტება, თუ როდის მოახდინეს პირველმა ვარსკვლავებმა და გალაქტიკებმა სამყაროს ხელახალი იონიზაცია. E-მოდები ასევე დაკავშირებულია ტემპერატურის ანიზოტროპიებთან, რაც პარამეტრების უფრო ზუსტად განსაზღვრის საშუალებას იძლევა და ამცირებს მატერიის სიმკვრივისა და კოსმოსური გეომეტრიის განუსაზღვრელობებს.

4.3 B-მოდების აღმოჩენის იმედი

B-მოდები, რომლებიც ლინზირებით წარმოიქმნება, უკვე აღმოჩენილია (უფრო მცირე კუთხურ მასშტაბებზე), რაც ემთხვევა თეორიულ პროგნოზებს იმის შესახებ, თუ როგორ ამახინჯებს ფართომასშტაბიანი სტრუქტურა E-მოდებს. ამასთან, პირველადი გრავიტაციული ტალღების (ინფლაციიდან) B-მოდები დიდ მასშტაბებზე ჯერ კიდევ არ გამოვლენილა. მრავალმა ექსპერიმენტმა (BICEP2, Keck Array, SPT, POLARBEAR) წარმოადგინა r-ის (ტენზორისა და სკალარის შეფარდების) ზედა შეზღუდვები. თუ ოდესმე პირველადი B-მოდები მნიშვნელოვანი ამპლიტუდით გამოვლინდება, ეს ინფლაციური გრავიტაციული ტალღებისა (და GUT-ის დონის ფიზიკის) ძლიერი მტკიცებულება იქნება. ძიება გრძელდება მომავალი ინსტრუმენტებით (LiteBIRD, CMB-S4).

5. კოსმოლოგიური პარამეტრები KFS-იდან

5.1 ΛCDM მოდელი

KFS-ის მონაცემებზე ყველაზე ხშირად მორგებულია მინიმალური ექვსპარამეტრიანი ΛCDM მოდელი:

  1. ბარიონების ფიზიკური სიმკვრივე: Ωb h²
  2. ცივი ბნელი მატერიის ფიზიკური სიმკვრივე: Ωc h²
  3. რეკომბინაციის დროს ხმის ჰორიზონტის კუთხური ზომა: θ* ≈ 100
  4. რეოიონიზაციის ოპტიკური სიღრმე: τ
  5. სკალარული აშლილობების ამპლიტუდა: As
  6. სკალარული სპექტრული ინდექსი: ns

Planck-ის მონაცემებით, Ωb h² ≈ 0,0224, Ωc h² ≈ 0,120, ns ≈ 0,965, As ≈ 2,1 × 10-9. მთლიანობაში KFS-ის მონაცემები მტკიცედ მიუთითებს ბრტყელ გეომეტრიაზე (Ωსულ=1±0,001) და თითქმის მასშტაბურად ინვარიანტული სიმძლავრის სპექტრი, რომელიც ინფლაციის თეორიას შეესაბამება.

5.2 დამატებითი შეზღუდვები

  • ნეიტრინოს მასა: KFS-ის ლინზირებით შესაძლებელია ნეიტრინოს მასების ჯამის გარკვეულწილად შეზღუდვა (ამჟამინდელი ზღვარი ~0,12–0,2 eV).
  • ნეიტრინოს სახეობების ეფექტური რაოდენობა (Neff): მგრძნობიარეა გამოსხივების რაოდენობის მიმართ. დაკვირვებული მნიშვნელობაა Neff ≈ 3,0–3,3.
  • ბნელი ენერგია: მაღალი წითელი წანაცვლების რეგიონში (ადრეულ პერიოდში) KFS ძირითადად მატერიისა და გამოსხივების დომინირებას ასახავს, ამიტომ ბნელი ენერგიის პირდაპირი შეზღუდვებისთვის საჭიროა BAO-ს, ზეახალი ვარსკვლავებისა ან ლინზირების მონაცემებთან კომბინირება.

6. ჰორიზონტისა და სიბრტყის პრობლემების გადაწყვეტა

6.1 ჰორიზონტის პრობლემა

თუ ადრეული ინფლაცია არ იარსებებდა, ერთმანეთისგან შორს მდებარე KFS-ის რეგიონები (~180° კუთხური დაშორებით) მიზეზ-შედეგობრივი კავშირით ვერ შეძლებდნენ ურთიერთქმედებას, თუმცა მათ თითქმის ერთნაირი ტემპერატურა აქვთ (განსხვავება 100000-დან 1-ს შეადგენს). KFS-ის ერთგვაროვნება ავლენს ჰორიზონტის პრობლემას. ინფლაციის დროს უეცარი ექსპონენციური გაფართოება მას აგვარებს: მნიშვნელოვნად ზრდის იმ რეგიონს, რომელიც თავდაპირველად მიზეზ-შედეგობრივ კავშირში იყო, და აფართოებს მას ამჟამინდელი ჰორიზონტის ფარგლებს მიღმა.

6.2 სიბრტყის პრობლემა

KFS-ის დაკვირვებები აჩვენებს, რომ სამყაროს გეომეტრია უკიდურესად ახლოსაა ბრტყელთან (Ωსულ ≈ 1). ჩვეულებრივ არაინფლაციურ დიდ აფეთქებაში Ω=1-დან მცირე გადახრებიც კი დროთა განმავლობაში მნიშვნელოვნად გაიზრდებოდა – სამყარო ან მრუდობით დომინირებული გახდებოდა, ან დაიშლებოდა. ინფლაცია, სივრცის გაფართოებით (მაგ., 60 e-ჯერ), მრუდობას ეფექტურად „ასწორებს“ და Ω→1-ისკენ უბიძგებს. პირველი აკუსტიკური პიკი ℓ ≈ 220-ზე სრულად ადასტურებს თითქმის ბრტყელი სამყაროს ამ სცენარს.

7. მიმდინარე დაძაბულობები და უპასუხო კითხვები

7.1 ჰაბლის მუდმივა

მიუხედავად იმისა, რომ KFS-ზე დაფუძნებული ΛCDM მოდელი იძლევა H0 ≈ 67,4 ± 0,5 კმ/წმ/მპკ-ს, მანძილის ადგილობრივი „კიბის“ გაზომვები უფრო დიდ მნიშვნელობებს (~73–75) აჩვენებს. ეს „ჰაბლის დაძაბულობა“ შეიძლება მიუთითებდეს შეუმჩნეველ სისტემურ ცდომილებებზე ან სტანდარტული ΛCDM-ის მიღმა არსებულ ახალ ფიზიკაზე (მაგ., ადრეულ ბნელ ენერგიაზე ან დამატებით რელატივისტურ ნაწილაკებზე). ჯერჯერობით საერთო გადაწყვეტა არ არსებობს, ამიტომ დისკუსიები გრძელდება.

7.2 ანომალიები დიდ მასშტაბებზე

დიდი მასშტაბის KFS-ის რუკების ზოგიერთი ანომალია, მაგალითად „ცივი ლაქა“ (cold spot), მცირე კვადრუპოლი ან დიპოლის უმნიშვნელო განლაგება, შეიძლება შემთხვევითი სტატისტიკური გადახრები იყოს ან დახვეწილ კოსმოსურ ტოპოლოგიაზე და ახალი ფიზიკის მინიშნებებზე მიუთითებდეს. პლანკის მონაცემები მასშტაბურ ანომალიებზე მკაფიო მტკიცებულებას არ ავლენს, თუმცა ეს სფერო კვლავ კვლევის საგანია.

7.3 ინფლაციისგან წარმოშობილი დაკარგული B-მოდები

დიდი მასშტაბის B-მოდების აღმოჩენის გარეშე ინფლაციური გრავიტაციული ტალღების ამპლიტუდებისთვის მხოლოდ ზედა ზღვარი გვაქვს, რაც ინფლაციის ენერგეტიკულ მასშტაბს ზღუდავს. თუ B-მოდების კვალი აღმოჩენადი არ იქნება ამჟამინდელ ზღვარზე მნიშვნელოვნად დაბლა, დიდი მასშტაბის ინფლაციის ზოგიერთი მოდელი ნაკლებად სავარაუდო გახდება, რაც შესაძლოა უფრო დაბალენერგიულ ან ალტერნატიულ ინფლაციურ ფიზიკაზე მიუთითებდეს.

8. მომავალი კოსმოლოგიური მიკროტალღური ფონის (KFS) პროექტები

8.1 მიწაზე დაფუძნებული ექსპერიმენტები: CMB-S4, Simons Observatory

CMB-S4 – მიწაზე დაფუძნებული ექსპერიმენტების შემდეგი მნიშვნელოვანი თაობა (დაგეგმილი ამ საუკუნის 30-40-იან წლებში), რომლის მიზანია პირველადი B-მოდების საიმედოდ აღმოჩენა ან მკაცრად შეზღუდვა. Simons Observatory (ჩილეში) ტემპერატურასა და პოლარიზაციას სხვადასხვა სიხშირეზე დააფიქსირებს, რაც წინა პლანის დაბრკოლებების ზუსტად გაფილტვრის საშუალებას იძლევა.

8.2 თანამგზავრული პროექტები: LiteBIRD

LiteBIRD (Japonიის JAXA) – შემოთავაზებული კოსმოსური მისია, რომელიც დიდი მასშტაბის პოლარიზაციის გაზომვებს ეძღვნება და შეუძლია ტენზორულ- და სკალარულ შეფარდებას r ≈ 10-3-მდე განსაზღვროს (ან შეზღუდოს). წარმატების შემთხვევაში, ეს ან ინფლაციურ გრავიტაციულ ტალღებს გამოავლენს, ან მკაცრად შეზღუდავს ინფლაციის მოდელებს, რომლებიც r-ის უფრო დიდ მნიშვნელობას პროგნოზირებენ.

8.3 ურთიერთქმედება გაზომვის სხვა მეთოდებთან

KFS-ის ლინზირების, გალაქტიკათა მასების განაწილების, BAO-ს, ზეახალი ვარსკვლავებისა და 21 cm მონაცემების ერთობლივი ანალიზი საშუალებას მოგვცემს უფრო ზუსტად შევაფასოთ კოსმოსური გაფართოების ისტორია და ნეიტრინოების მასები, შევამოწმოთ გრავიტაციის კანონები და შესაძლოა ახალი მოვლენებიც აღმოვაჩინოთ. ეს ურთიერთქმედება უზრუნველყოფს, რომ KFS დარჩეს ფუნდამენტურ მონაცემთა ერთობლიობად, თუმცა არა ერთადერთად, სამყაროს აგებულებისა და ევოლუციის შესახებ არსებით კითხვებზე პასუხის გასაცემად.

9. დასკვნა

კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივება ადრეული სამყაროს ერთ-ერთი ყველაზე საოცარი „ნამარხია“. მისი ტემპერატურული ანიზოტროპიები, რომლებიც რამდენიმე ათეულ µK-ს აღწევს, ინახავს პირველადი სიმკვრივის ფლუქტუაციების - მოგვიანებით გალაქტიკებად და გროვებად გაზრდილი სტრუქტურების - კვალს. ამასთან, პოლარიზაციის მონაცემები კიდევ უფრო ზუსტად აჩვენებს რეიონიზაციის თავისებურებებს, აკუსტიკურ პიკებს და ინფლაციიდან მომდინარე პირველადი გრავიტაციული ტალღების დაკვირვების შესაძლებლობას ხსნის.

COBE-ის, WMAP-ისა და Planck-ის დაკვირვებებიდან მოყოლებული, ჩვენმა გარჩევადობამ და მგრძნობელობამ მკვეთრად მოიმატა, რაც ზუსტად ჩამოყალიბებულ ΛCDM მოდელში culminated. თუმცა კვლავ რჩება გაურკვევლობები - მაგალითად, ჰაბლის დაძაბულობა ან ჯერ კიდევ აღმოუჩენელი ინფლაციური B-რეჟიმები - რომლებიც მიუთითებს, რომ შესაძლოა უფრო ღრმა პასუხები ან ახალი ფიზიკა იმალებოდეს. მომავალი ექსპერიმენტები და მონაცემთა უახლესი კომბინაციები ფართომასშტაბიანი სტრუქტურების მიმოხილვებთან ერთად ახალ აღმოჩენებს გვპირდება - შესაძლოა, დაადასტუროს ინფლაციის დეტალური მოზაიკა ან მოულოდნელი გადახვევები გამოავლინოს. KFS-ის დეტალური სტრუქტურის მეშვეობით ვხედავთ კოსმოსური ევოლუციის უძველეს მომენტებს - კვანტური ფლუქტუაციებიდან პლანკის ენერგიებზე გალაქტიკებისა და გროვების დიდებულ ქსელებამდე, რომლებსაც მილიარდობით წლის შემდეგ ვაკვირდებით.

ლიტერატურა და დამატებითი საკითხავი

  1. Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). „4080 Mc/s სიხშირეზე ანტენის ჭარბი ტემპერატურის გაზომვა.“ The Astrophysical Journal, 142, 419–421.
  2. Smoot, G. F., et al. (1992). „COBE-ის დიფერენციული მიკროტალღური რადიომეტრის პირველი წლის რუკებში არსებული სტრუქტურა.“ The Astrophysical Journal Letters, 396, L1–L5.
  3. Bennett, C. L., et al. (2013). „Wilkinson-ის მიკროტალღური ანიზოტროპიის ზონდის (WMAP) ცხრაწლიანი დაკვირვებები: საბოლოო რუკები და შედეგები.“ The Astrophysical Journal Supplement Series, 208, 20.
  4. Planck Collaboration (2018). „Planck 2018 წლის შედეგები. VI. კოსმოლოგიური პარამეტრები.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  5. Kamionkowski, M., & Kovetz, E. D. (2016). „B režimų, kylančių iš infliacinių gravitacinių bangų, paieška.“ Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 54, 227–269.
Grįžti į tinklaraštį