Здесь приведены некоторые вопросы, полученные по e-mail.

Перейти к оглавлению вопросов по E-mail.
Перейти к вопросам основного уровня.
Перейти к вопросам среднего уровня.
Перейти к продвинутым вопросам.

Оглавление вопросов по E-mail

• Реликтовый фон - Общие вопросы
• Реликтовый фон - Анизотропия
• Реликтовый фон - Эксперименты
• Структура Вселенной
• Смежные темы
• Карьера в астрономии

Реликтовый фон - Общие вопросы

У меня есть друг, который не верит в расширение Вселенной. Его главный аргумент состоит в том, что наша скорость по отношению к реликтовому фону совсем не близка к скорости света, и потому мы должны находиться в центре расширения. Как мне на это ответить? И существуют ли какие-то хорошие статьи на эту тему?

Прислал sbauer1"AT"juno.com

Могу я спросить, почему Ваш друг не верит в расширение?! Это представляется крайней позицией! Как, например, решить, что Вы не собираетесь верить, что Земля круглая, или решить, что все посадки на Луну были сделаны в телевизионной студии!

В любом случае, я попытаюсь объяснить расширение Вселенной еще раз. Главное доказательство заключается в измерении красных смещений далеких галактик, которые показывают, что красные смещения растут с расстоянием. Эти измерения восходят к оригинальному исследованию Хаббла 1926г, поэтому, как Вы должны понимать, мы прошли длинный путь с тех пор! И сегодня нет никакой возможности для сомнения в том, что красные смещения галактик растут с ростом расстояния от них до нас. И единственным жизнеспособным объяснением является то, что Вселенная, как целое, расширяется, всем от всего, таким образом, что каждый может считать себя находящимся в центре, если желает.

диполь реликтового фона показывает, что мы действительно путешествуем очень быстро по Вселенной. Что то около 600 км/сек для движения нашей местной группы галактик относительно реликтовых фотонов. Вспомните также, что кроме этого существует движение нашей галактики относительно местной группы как целого, движение Солнца вокруг Галактики, годовое движение Земли вокруг Солнца - если Вы собираетесь верить, что мы на самом деле находимся в покое в особом месте, тогда Вам придется решить, какая скорость является единственно верной!

Я подозреваю, что Ваш друг мог спутать скорость расширения с небольшой местной скоростью, которую имеет каждая Галактика. Вы должны представить Вселеную как плавно расширяющуюся во всех направлениях. Однако, отдельные объекты во Вселенной также оказывают небольшие гравитационные воздействия друг на друга. Поэтому у каждой галактики есть скорость поверх Хаббловской скорости расширения, и эта скорость может составлять несколько сотен км/сек. Это именно то, что мы видим, когда смотрим на скопление галактик - они имеют целый пучек скоростей, с распределением возможно 500-1000 км/сек, но средняя скорость скопления как целого есть Хаббловская скорость расширения. Точно такая же ситуация наблюдается и в случае нашей Галактики - наша местная "собственная скорость" составляет несколько сотен км/сек, тогда как скорость Хаббла равна нулю здесь (как она равна нулю для всех наблюдателей в их собственом месте расположения!).

Важно, что эта ситуация одна и та же для всех наблюдателей в любой галактике во Вселенной: существует сравнительно небольшая собственная скорость, на вершине которой скорости галактик линейно увеличиваются с расстоянием во всех направлениях.

Результаты спутника COBE являются лишь одной частью той ясной картины, которую мы имеем сегодня по поводу того, как работает Вселенная. Существует множество статей, которые вы можете прочесть как основу современных воззрений на Большой взрыв и прочее. Я настойчиво рекомендую статью, которая была опубликована в журнале Nature в 1992г (том 357, стр. 288) авторы Peebles, Turner, Kron и Schramm или подобную статью в Scientific American, которую Вы можете найти [здесь].

Расширение, как было объяснено, происходит лишь в пустотах космоса, а именно в пространстве между галактиками, а не в самих галактиках, или в Земле, или в моей ноге. Так что происходит здесь? И с учетом этого гетерогенного расширения, разве не должно быть множества направлений (особенно в направлениях галактик и крупномасштабных структур) где будут различия в температуре реликтового фона благодаря разному времени путешествия в областях пространства-времени, которые не "расширяются"?

Прислал sbauer1"AT"juno.com

Вселенная, как целое,расширяется, и это является результатом курпномасштабного гравитационного поля всей Вселенной. Однако, в малых масштабах, гравитационный эффект Вселенной легко преодолевается эффектами местной концентрации матрии. Когда образовывалась наша Галактика (и другие структуры во Вселенной), процесс начинался с образования местного уплотнения материи (строго говоря, отчего это происходило, это уже другая история!). Это приводило к небольшому гравитационному притяжению между частями материи, что означало, что расширение происходило немного медленнее, чем расширение Вселенной как целого. В конечном итоге область становилась достаточно компактной, и переставала расширяться вовсе, начичнала сжиматься, а затем сложная физика газа и другие процессы вступали в игру и образовывалась галактика (снова другая история!).

Это означает, что любой объект с существенной концентрацией материи прекращал местное расширение во Вселенной, хотя все пространство между такими объектами все еще продолжало расширяться. В пределах нашей Галактики средняя плотность примерно в миллион раз выше средней плотности Вселенной, и потому мы в целом подвержены силам "местной" гравитации. Следовательно все объекты в пределах галактики, включая пыль и облака газа, звезды, планеты, формы жизни, и их ноги, не расширяются. Но огромное количество пространства между галактиками несомненно расширяется.

Фактически существует влияние на изотропию реликтового фона, которое происходит от такого неравномерного расширения, котрое Вы описываете. Однако, такие эффекты определенно можно посчитать - оказывается, что они существенны лишь в очень малых угловых масштабах, и даже там они всегда совершенно пренебрежимо малы. Причина состоит в том, что если Вы являетесь фотоном, пересекающим такую область, тогда Вы будете смещаться в фиолетовую область при вхождении в область и будете смещаться в красную область, выходя наружу, что почти уничтожает эффекты местной гравитации. Однако будет наблюдаться небольшое изменение в энергии фотона вследствие любого изменения гравитации во времени, которое требуется фотону, чтобы пересечь объект. Это приводит к гораздо меньшим эффектам, чем Вы могли первоначально ожидать. Поэтому плавно расширяющаяся Вселенная, содержащая больше не расширяющиеся объекты (т.е. наша Вселенная!) все еще имеет очень гладкий реликтовый фон.

Есть ли у реликтового фона центр или край? Если да, где находятся эти центр и край?

Прислал Pureman33"AT"aol.com

Реликтовое излучение является просто однородным морем фотонов, оставшимся от горячей ранней фазы Вселенной. Поэтому я полагаю, что этот вопрос в сущности то же самое, что и вопрос о свойствах Вселенной, как целого.

Простой ответ состоит в том, что у Вселенной нет центра, и нет края! И что Вселенная не обязана быть настолько простой, что будет легко создать ясную мысленую картинку того, что происходит! В Общей теории относительности (которая, насколько мы знаем, очень подходит для понимания гравитации), пространство искривляется воздействием заключенной в нем материи. Поэтому, если во Вселенной достаточно вещества, то пространство может быть настолько искривленным, что Вы можете, в принципе, провести в ней прямую линию, которая проделает путь "вокруг" Вселенной, и вернется туда, где началась. Или, по другому, если бы Вы могли ясно видеть на очень большие расстояния, то Вы могли бы увидеть свой затылок! Если бы реализовался этот вариант, то Вселенная была бы замкнута сама на себя (в некотором абстрактном 4-ом измерении), так, что она была бы конечной в объеме, но не имела бы края.

С другой стороны, в интерпретации большинства людей основания таковы, что не существует достаточно массы, чтобы "замкнуть" Вселенную. В этом случае, похоже, что Вселенная является либо истинно бесконечной в протяженности, или по меньшей мере, настолько большей, чем та её часть, которую мы можем наблюдать, что она является бесконечной с точки зрения всех практических намерений. Чтобы понять это, Вам нужно всего лишь осознать, что это по существу семантика: Вселенная является всем, поэтому у нее не может быть края!

Что касается центра, то фактом является то, что каждый находится в ценре! Вся Вселенная расширяется, любая её часть удаляется от любой части, и потому каждый может считать себя находящимся в центре расширения. Однако в действительности не существует определенного "центра" Вселенной. Это очевидно обретает смысл, если у Вселенной нет края, поскольку совершенно глупо считать, что есть центр у того, что бесконечно.

Поэтому наилушее представление о Вселенной состоит в представлении об очень большой (возможно бесконечной) вещи, наполненной галактиками, которая расширяется одновременно во всех направлениях. Реликтовое излучение является фоном излучения, оставшемся от времен, когда Вселенная была очень горячая и плотная. По мере Расширения Вселенной она охлаждается, и потому мы видим фоновое илучение как микроволновое, приходящее со всех направлений. Нет образцов существенно больших размеров, видимых на микроволновом небе, в точности потому, что мы живем в существенно вселенской части Мира, где нет центра и нет края.

Я изучаю физику в Университете и у меня проблема я поиском информации по таким вопросам как: каким образом начальные флуктуации плотности связаны с теми угловыми флуктуациями, которые мы видим в реликтовом фоне? И что бы мы наблюдали, если бы Вселенная была периодической?

Прислал m.p.pendlebury"AT"ncl.ac.uk

Если Вы изучаете физику, то у Вас должны быть достаточные основы, чтобы читать некоторые оригинальные работы по теме. Возможно, Вы захотите начать со статьи в Annual Reviews of Astronomy & Astrophysics (1994) том 32, стр. 319, которая должна быть в библиотеке Вашего Университета. Это даст Вам краткие пояснения по вопросам, которые у Вас возникли, а также укажет Вам на другие относящиеся в теме статьи.

Конечно, многое изменилось в последние несколько лет, но основная физика осталась той же, и эта статья в ARAA одним из лучших обзоров предмета (во всяком случае на мой взгляд!).

Я пытаюсь найти данные точек спектра реликтового фона, чтоы нарисовать график и создать процедуру аппроксимации, которую я продемонстирую по окончании курса по термодинамике, который я скоро начну изучать. Не могли бы Вы мне подсказать место, где я могу загрузить данные, лучше с привязкой к каждому из экспериментов?

Прислал kevinmccann"AT"erols.com

Всегда полезно построить свой собственный график, просто, чтобы убедиться, что реликтовый фон действительно является таким поразительно хорошим черным телом! Сегодня существует достаточно много разных измерений, поэтому полезно иметь место, где Вы можете посмотреть набор точек данных. Я полагаю, наилучшим последним собранием является обзор конференции автора George Smoot, который доступен по адресу [astro-ph/9705101]

Существует подробный список измерений при различных частотах, с отрезками величин ошибок и ссылками. Существуют также прекрасные графики в нашей новой web-редакции книги Particle Data Book ([astro-ph/9711069]), однако мы фактически не приводили там точки.

Мой вопрос касается поверхности последнего рассеяния. Если я правильно понял, некоторые из ключевых уравнений, которые использовались для определения физики Вселенной зависят от двух переменных, одной и которых обычно пренебрегают (давление?), поскольку она становится настолько малой, что от нее ничего не зависит. Оправдывается ли такое допущение для момента поверхности последнего отражения или давление необходимо снова возвратить в уравнения?

Прислал rassler"AT"cleo.bc.edu

Давление, разумеется, является очень важной частью физики того, что происходит при красном смещении около 1000, когда Вселенная становится нейтральной а фотоны в последний раз взаимодействуют с материей. Поэтому будьте уверены, что когда теоретики рассчитывают реальные вещи, они не забывают включить давление!

В сегодняшней Вселенной давление в целом является пренебрежимо малым. Во Вселенной доминирует обычное вещество, которое действует на больших масштабах, как во многом не взаимодействующая жидкость. Такое вещество обычно определяют термином "пыль", что в данном случае имеет технический смысл. Поэтому в плане недавней истории Вселенной Вы и в самом деле можете игнорировать давление.

Но в более ранней Вселенной наполняющее её излучение становится все более и более важным. И опять же, когда Вселенная была столь горяча, что вся материя была ионизирована, фотоны сильнейшим образом взаимодействовали со всеми этими заряженными частицами. В эти ранние времена истории Вселенной, было бы безнадежно плохой аппроксимацией попутка пренебречь влиянием давления. На самом деле, воздействие давления на создание анизотропии реликтового фона очень сильно связано с существованием и подробной формой неровностей и искажений в "энергетическом спектре" анизотропии, через которые, как мы надеемся, мы сможем понять всю физику крупномасштабной Вселенной!

Какова величина нашего движения относительно реликтового фона (RA, Decl, км/сек)?

Прислал Wolverine"AT"netgate.net

Наиболее точные числа получены из анализа данных спутника COBE, и я просто процитирую эти числа. Мы движемся со скоростью 370.6 ± 0.4 км/сек относительно галактических координат (l,b)=(264.31 ± 0.17,48.05 ± 0.10). Что соответствует RA=11час12мин, Decl=-7.2.

Эти числа относятся именно к движению Солнца относительно реликтового фона. Конечно, Земля тоже движется вокруг Солнца, и поэтому существуют годовые колебания в движении Земли относительно фона. Фактически COBE был достаточно чувствителен, чтобы он мог обнаружить движение Земли по изменению температуры неба в течение года!

Я пишу небольшую статью в качестве моего введения в студенческий курс по астрофизике. Тема статьи - источник(и) реликтового излучения. Какой физический процесс наиболее важен в плане создания фотонов реликтового фона? Представляется, что бариогенез, нуклеосинтез, и образование элементов все являются важными, но я не уверен, на чем мне сосредоточить свое внимание.

Прислал rkeyes"AT"rice.edu

Ответ на этот вопрос в некоторой степени зависит от того, о чем Вы в действительности спрашиваете. В некотором смысле фотоны реликтового фона, которые мы обнаруживаем, были созданы в атмосфере Земли, поскольку они поглощались и переизлучались вдоль пути распространения света. Однако это не слишком полезный ответ! Рассуждая подобным образом, фотоны были последний раз рассеяны через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва, и Вы можете рассматривать рассеяние, как поглощение фотона с одновременным испусканием нового фотона в случайном направлении. По мере того, как Вы перейдетe к более раненей истории Вселенной, индивидуальные фотоны будут все более сильно взаимодействовать с веществом, и за время примерно за 1 год фотоны растеряют всю информацию в процессах рассеяния. Поэтому ни один из фотонов, которые мы видим сегодня, не содержит информации о том, что случилось до примерно первого года в истории Вселенной. Возможно Вы хотите узнать, как возникли самые первые фотоны!

Процесс нуклеосинтеза (образование легких элементов) происходил в период первых трех минут. Фактически, тогда уже существовало так много фотонов в расчете на один барион (частица обычной материи), что добавочными фотонами, создаваемыми из высвобождающейся ядерной энергии в то время, совершенно можно было пренебречь.

При сверхвысоких энергиях постоянно возникали и аннигилировали частицы и античастицы -- выделяя при этом чистую энергию (фотоны) а затем снова аннигилируя в чистую энергию. При более высоких энергиях образовывались и исчезали частицы и античастицы с даже более высокими массами, существовавшие в приблизительно равном числе по отношению к фотонам в то время. Таким образом, в ранней истории Вселенной существовало множество протонов и антипротонов вокруг, например, ранее чем появилось множество экзотических частиц с более высокими массами, и так далее. Самые легкие частицы, которые нам известны, это электроны, и поэтому они аннигилировали последними. Примерно за 1 секунду до этого Вселенная была полна электронами (e^-) и антиэлектронами (e⁺), а также фотонами (&gamma), в примерно равных количествах. Затем, по мере расширения Вселенной, температура упала достаточно низко, чтобы если пара e⁺-e^- аннигилировала, то то средней энергии фотонов было недостаточно, чтобы воссоздать эту пару. Таким образом, в конечном счете Вселенная большую часть своих e⁺ и e^-, и процесс завершился множеством &gamma лучей.

Почему у нас осталось какое-то количество e^- это хороший вопрос (это бариогенез), и я немножко рассказывал об этом ранее. Однако этот процесс анигилляции и являтся тем основным процессом, который создал фотоны реликтового фона, которые возникли, в основном, от аннигилляции e⁺-e^-, некоторый вклад внесла аннигилляция µ⁺-µ^- и &tau⁺- &tau^-, происходившая немного ранее и совсем немного добавил нуклеосинтез. И конечно, вполне возможно, что другие известные физические процессы, происходившие между первой секундой и первым годом также могли играть определенную роль в создании избытка фотонов.

Я пишу очерк об открытии "Пензиасом & Вильсоном реликтового излучения". Я был бы очень благодарен Вам, если Вы могли выслать мне какую-либо информацию об открытии реликтового фона, и о самих Пензиасе и Вильсоне.

Прислал ketal.patel"AT"ic.ac.uk

Эту историю рассказывали множество раз, и её рассказывали люди, которые делали это гораздо лучше, чем могу это сделать я, которые смогли сделать всё это гораздо лучше, чем я бы мог сделать это здесь! Поэтому позвольте мне просто предложить места, где Вы сможете прочесть больше об истории этого открытия. Одним прекрасным мемтом для начала является популярная книга "Вечерняя заря творения" Маркуса Крауна (Marcus Chown) (University Science Books). Эта книга является прекрасным обзором всей истории, написана захватывающим образом, в то же время будучи совершенно правдивой в том, что касается основных действующих лиц, a также изложена доступным языком. Это такая книга, которую я порекомендовал бы маме!

Для более приближенной к "месту события" точки зрения, которая с необходимостью является и более субъективной, вы не сможете найти ничего лучше, чем статьи, написанные самим Вильсоном, хотя эти статьи, возможно, несколько трудно достать (журнал Physica Scripta, том. 21, стр. 599 (1980г), и в книгах "Ретроспектива современной космологии", изданной Bertotti с соавт. (1990г), и "Космический микроволновый фон: 25 лет спустя", под редакцией Mandolesi & Vittorio (1990г)). Точка зрения Принстона представлена в книге автора Peebles "Принципы физической космологии" (1993г), а также в статье Вилкинсона & Пеблс в "Волшебные открытия радиоастрономии", под редакцией Kellermann & Sheets (1983г).

Существует даже более интригующая часть истории, включающая "предсказания" реликтового излучения Гамовым с коллегами (смотрите статью Alpher & Herman в журнале Physics Today, Август 1988г) и рассматривающее тот вопрос, было ли уже реликтовое излучение по недосмотру обнаружено, как анамальное возбуждение межзвездных молекул автора McKellar в далеком 1941г (подробности см. Thaddeus в Ежегодные обзоры по Астрономии & Астрофизике, 1972г), или в радиометрических измерениях автора Ohm и других в начале 1960-х. Существует довольно пространное обсуждение этих вопросов в обзорной статье (на английском) авторов Melchiorri & Melchiorri в журнале La Rivista del Nuovo Cimento, том. 17, № 1 (1994г), а также книга "3K: Космическое фоновое излучение" автора Partridge (Кэмбридж, 1996г).

Мне интересно, какая величина красного смещения была на поверхности последнего рассеяния. А также, не даст ли это очень хорошее значение для возраста Вселенной? То есть, не являются ли теории о температуре Вселенной во время рассеяния очень хорошими, и оттого не должно ли наблюдаемое красное смещение реликтового фона дать очень точную оценку? Что я упустил?

Прислал billgr"AT"sunoptics.caltech.edu

Позвольте мне сначала характеризовать природу красного смещения. Поскольку более удаленные объекты показывают свое излучение более смещенным в красную область спектра, то мы можем использовать это "красное смещение", обычно обозначаемой как z, как меру того, насколько далеко расположен данный объект. Свету требуется больше времени, чтобы добраться до нас от более удаленного объекта, и потому, когда мы наблюдаем что-либо с большим красным смещением, мы видим это каким оно было, когда Вселенная была намного моложе; поскольку красное смещение является также мерой времени при движении назад в раннюю историю Вселенной. В стандартных моделях расширяющейся Вселенной, лучше всего думать о красном смещении как о том, вызвано расширением, а не скоростью. Другими словами, если Вы наблюдаете что-либо смещенное в красную область, то это потому, что свет был излучен, когда Вселенная была меньше, и по мере того, как свет путешествовал к Вам он растягивался вместе с Вселенной, приобретая более длинную длину волны к тому времени, когда он достигал Вас. Поэтому объекты, наблюдаемые во все более и более далеком прошлом, наблюдаются с их излучениями, более и более смещенными в красную область (поскольку Вселенная становится все меньше и меньше по мере того, как мы достигаем t=0). Красное смещение, равное нулю, соответствует сегодня, наиболее далекие галактики наблюдаются примерно с z=5, реликтовые фотоны последний раз рассеялись примерно при z=1000, а Большой взрыв имел место при z₌.

Каким именно было красное смещение при последнем рассеянии фотонов реликтового фона? Ну, поверхность последнего рассеяния является на самом деле оболочкой, а не поверхностью, т.е. диапазон красных смещений в котором фотоны переживали свое последнее взаимодействие с материей. Срединное значение красного смещения было около 1100, с шириной около 100 в единицах z. Это немножко зависит от точной космологической модели (т.е. насколько плотной является Вселенная,или насколько быстро она расширяется), но неожиданно то, что это мало что меняет. Это удивительно хорошая аппроксимация посмотреть на какой-либо фотон реликтового фона, который Вы только что обнаружили и сказать "этот фотон, вероятно, последний раз взаимодействовал с материей при z=1100". (Какой возраст был у Вселенной при таком красном смещении зависит, конечно, в значительной мере, от космологической модели, и это в точности то, отчего космологи используют красное смещение в качестве своей меры времени!).

Вторая часть приведенного выше вопроса касается предсказания температуры реликтового фона. Это правда, что существуют некоторые грубые аргументы, позволяющие считать температуру реликтового фона с точность до порядка величины. Но нет точного предсказания того, насколько горячим должно быть фоновое излучение. Все, что я знаю, это то, что если температура равна около T₀=2.73K сегодня, то фотоны последний раз рассеивались примерно при z=1100 (когда материя переходила из ионизированного состояния в нейтральное). Если я измерю другую температуру реликтового фона сегодня, то я сделаю вывод о другой величине красного смещения при последнем расеянии. Скажем, например, что T₀=10K, тогда я сделал бы вывод, что я живу во Вселенной, где существует больше излучения, и красное смещение последнего рассеяния должно быть существенно ниже.

Было бы великолепно, если бы существовал независимый метод предсказать красное смещение последнего рассеяния, поскольку тогда я действительно мог бы использовать измеряемую температуру реликтового фона сегодня, чтобы определиться с возрастом Вселенной во время последнего рассеяния. К сожалению таких независимых оценок не существует, и потому я могу лишь сказать Вам, что последнее рассеяние произошло при z1100 поскольку я измерил T₀2.73.

Что существенного внесло реликтовое излучение в развитие наших космологических идей? (наряду с тем, что оно является важной составной частью доказательства Большого взрыва).

Прислал micky"AT"acon.com.au

Итак, являться краеугольным камнем Большого взрыва для Вас недостаточно, вот как?

Чтобы подытожить, насколько важным он является в этом отношении: открытие и подтверждение реликтового фона было орудием в строительстве нашей текущей картины того, как вся Вселенная ведет себя во времени. А именно, что она была намного горячее и плотнее, и продолжает расширяться и охлаждаться.

Но кроме этого есть и нечто большее. Точная чернотельная (термически равновесная) природа спектра реликтового фона исключила любые другие серьезные возможности для моделирования эволлюции Вселенной. Более того, оно налагает точные пределы на широкий ряд физических процессов, происходивших в период временной шкалы от грубо 1 года до 1 миллиона лет после Большого взрыва (поскольку они привели бы к "искажениям" в спектре, которых не наблюдается).

Независимо от этого сущетвует то основное, что говорят нам пространственные характеристики реликтового фона. По существу, почти изотропный по температуре характер излучения является очень сильным подтверждением того, что мы живем во Вселенной, которая является очень гладкой и однородной в больших масштабах. Таким образом, наша Вселенная является замечательным образом одинаковой в любом направлении, не имеет значительного вращения и так далее.

Обнаружение крошечных различий в температуре реликтового небесного фона свидетельствует нам о крупномасштабных флуктуациях плотности в ранней Вселенной. здесь мы продвинулись в изучении вперед очень быстро, поэтому картинка всё еще не совсем ясна. Мы наверняка убедились в том, что вероятно одна лишь гравитация ответственна за возникновение всех структур во Вселенной. Во-вторых, представляется, что существуют флуктуации более крупных масштабов, такого рода, что предсказываются так называемыми "инфляционными" моделями ранней вселенной. Хотя насколько далеко они продвинулись в доказательстве инфляции все еще является спорным вопросом!

определенно, сегодня мы знаем амплитуду и форму "начальных условий" флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Нам также известно, что общие модели с большой компонентой Холодной темной материи выглядят так, что похоже, что они находятся на верном пути. И в ближайшем будущем мы планируем начать изучение дальнейших подробностей о величинах фундаментальных космологических параметров, таких как &omega₀, тогда мы сможем энергично взяться за такие вопросы, как: "будет ли Вселенная расширяться вечно?", "сколько ей лет?", "как много в ней вещества?", "откуда это всё возникло?", и прочие.

Можете ли Вы предложить любое другое правдоподобное объяснение для температуры реликтового фона 2.73K, отличающееся от оставшегося излучения от Большого взрыва? Не может ли тепло, излученное самой нашей Галактикой в окружающее облако межгалактической пыли или водорода быть причиной реликтового фона?

Прислал stardot"AT"worldnet.att.net

Предположение, что наблюдаемое нами микроволновое излучение является остатком горячей фазы ранней Вселенной является, очевидно, достаточно радикальным. И потому, мы должны убедиться, что мы исчерпали все приемлемые возможности выбора прежде чем решить, что это является наилучшим объяснением. Вследствие того, что этот вопрос является очень важным, мой ответ на него будет несколько более подробным.

Горячий газ имеет тенденцию излучать или поглощать в различных спектральных линиях или полосах частот. Пыль, будучи нагретой светом звезд или другим излучением, будет охлаждаться испуская достаточно непрерывный спектр. Однако такой спектр имеет тенденцию выказывать характеристические температуры несколько выше, чем 2.73 Кельвина. Как правило, холодные облака в межзвездной среде в нашей Галактике могут иметь температуру 100K, в некоторых редких случаях до 10K. Но обычно это присуще лишь сердцевинам очень плотных пылевых облаков, которые могут иметь температуру в 10K. Хотя спектр от илучающей пыли является совершенно гладким, он в общем не очень хорошо аппроксимируется стандартной "чернотельной" кривой, а изменяется с длиной волны несколько другим образом (технически это обозначается "показателем излучающей способности", который для абсолютно черного тела должен быть равен нулю, однако обычно для случая межзвездной пыли он находится в диапазоне между 1 и 2). Также в спектрах частиц пыли существует множество спектральных особенностей, которые были бы видны как искажения чернотельной формы кривой.

Когда спектр реликтового фона был определен еще достаточно грубо, тогда оставалась возможность для изобретения моделей, в которых существовала весьма обильная пыль, поглощавшая свет звезд и переизлучающая его в виде микроволнового излучения. Но по мере того, как спектральные измерения становились всё более и более точными, такие модели всё больше и больше загонялись в угол. Последняя оставшаяся точка зрения гласит, что возможно частицы специальной формы и состава (так называемые "железные усы") могли заполнить Вселенную и дать излучение более или менее неотличимое от чернотельного. Однако, исклчительно точная чернотельная форма по данным измерений в эксперименте FIRAS на спутнике COBE убило даже эту идею. Не сегодня не существует такого типа пыли, который, как мы могли бы думать, смог бы удовлетворить той спектральной форме, которая измерена сегодня с такой точностью.

Сверх того, любая пыль должна быть распределена чрезвычайно равномерно, чтобы не выдать себя в пространственных флуктуациях на небе. напомню, что флуктуации температуры реликтового фона в различных направлениях на небе составляют около одной части на 100,000 средней температуры. Если бы излучающий материал был как-то связан с нашей Галактикой, тогда можно было бы ожидать, что он как-то варьирует на небе, коррелируя с плоскостью нашей галактики. Таких изменений не наблюдается в микроволновом фоне излучения с температурой 2.73K.

Дополнительным затруднением является простой вопрос, какие еще эффекты могут быть связаны с такой пылью. Если у Вас имеется достаточное количество пыли вокруг, чтобы излучать так много микроволнового излучения, распределенной в нашей Галактике и предположительно в любой другой галактике, а также, вероятно, в межгалактическом пространстве, тогда представляется, что она оказывала бы весьма существенное затемняющее воздействие на далекие галактики. Тот факт, что мы видим далекие галактики и квазары в любом направлении, куда бы мы ни смотрели, кроме как прямо через плоскость нашей Галактики (где, как мы знаем, нашему взору мещает плотный слой пыли), подразумевает, что не существует затемняющей пыли во всех областях Вселенной. Расчеты показывают, что весьма затруднительно иметь достаточное количество пыли, чтобы обеспечить существенное излучение в микроволновом диапазоне длин волн, без блокирования нам обзора далеких объектов.

Последним фрагметом этой головоломки является то, что фактически общее излучение происходящее от пыли наблюдалось, и что оно имело максимум на длине волны 200 микрон (или 0.2 нм). Это почти в десять раз более короткая длина волны, чем максимум реликтового фона, а общая энергия такого "фона в дальней инфракрасной области" (FIB?) примерно в 30 раз ниже. Существуют надежные основания доверять, что этот фон связан с излучением от пыли в галактиках, разбросанных по всей Вселенной, с преобладающим вкладом от галактик, которые переживают периоды быстрого образования звезд. Таким образом, космическое излучение от пыли было открыто, и оно сильно отличается от реликтового фона (и, разумеется, оно интересно само по себе).

Где-то я встречал утверждение, что температура реликтового фона равна 2.728K; в другом месте, что 2.726K. Можете ли Вы сообщить нам о последней оценке, со ссылкой на источник? И как эта рассчетная температура зависит от величины k, постоянной Больцмана, которая известна лишь с точностью что-то около 8.5 частей на миллион? Является ли значение энергии микроволнового фона в настоящий момент более точным, чем значение температуры микроволнового фона? Если так, то какова, на Ваш взгляд, величина в единицах энергии?

Прислал jebush"AT"ridgecrest.ca.us

Наилучшая температура реликтового фона составляетс на текущий момент 2.728 ± 0.004K, где эта неопределенность представляет область доверительной вероятности 95%. Эта величина получена исключительно в результате анализа данных от эксперимента FIRAS на спутнике COBE. Ссылка такова: is D.J. Fixsen с соавт., Astrophysical Journal, том. 473, стр. 576 (1996г), если Вам интересно. До сих пор существует little extra limitation on the temperature from the other experiments, которые проводились в более широком диапазоне длин волн, но с гораздо меньшей точностью. Такая ситуация очевидно (предположительно!) будет со временем меняться по мере того, как станут доступны более точные данные.

Постоянная Больцмана k это то, на что Вы умножаете температуру, чтобы получить величину энергии. Как было указано, k не является величиной, известной с бесконечной точностью, однако она составляет 1.380658(12)× 10²³Дж/K, где число в скобках показывает неопределенность в последних 2 цифрах. Однако, эта константа известна с гораздо большей точностью, чем требуется для получения значения температуры реликтового излучения. Я полагаю, что не проживу достаточрно долго, чтобы увидеть, как неопределенность в фундаментальных константах станет лимитирующим фактором получения точной температуры микроволнового фона!

Полезной мерой для реликтового излучения является количество энергии на единицу объема, или плотность энергии. Известна ли эта плотность энергии лучше, чем температура, я не вполне уверен. Возможно существует несколько мест, где такие вещи, как постоянная Больцмана, участвуют неявно (несомненно в процессе каллибровки, я полагаю), что будет запутывать дело. Но будьте уверены, что в данный момент наше знание плотности энергии, плотность частиц фотонов и все подобные величины лимитировано неопределенностью температуры. К Вашему вседению: существует около 412 реликтовых фотонов в кубическом сантиметре (с неопределенность около 1); плотность энергии эквивалнтна 0.261 электронвольт на кубический см (снова неопределенность около ± 1 в последнем десятичном разряде); эквивалентная плотность массы равна 4.66 × 10^-31 килограмм на кубический метр; максимум в спектре имеет частоту 160.4 ГГц (неопределенность около ± 0.1); и макимаьная интенсивность фона составляет около 385 MJy/Sr (это МегаДжанки на Стерадиан, т.е. не такие единицы, которые Вы встречаете ежедневно!). Надеюсь, Вам достаточно чисел!

В Вашем ответе на вопрос "Как мы определили, как мы движемся по отношению к реликтовому фону?", существует еще один момент, который следует отметить. В расширяющейся Вселенной, два далеких объекта, каждый из которых покоится относительно реликтового фона, будут, как правило, находиться в движении относительно друг-друга, правильно?

Прислал fklaess"AT"pt.lu 10/98

Расширение Вселенной является, конечно, неудобством, когда приходится размышлять о простой картине того, как работает космология! Обычно мы справляемся с этим, представляя набор наблюдателей, которые все расширяются равномерно относительно друг-друга, т.е. у них нет "собственных движений", только "расширение Хаббла" (которое прямо связано с расстоянием между ними). Затем эти наблюдатели определяют расширяющуюся систему координат. Существует множество таких систем координат, и все они движутся с некоторой постоянной скоростью относительно друг-друга. Но одна из них может быть явно выделена, как соответствующая диполю реликтового фона на небе. И это будет абсолютная (расширяющаяся) покоящаяся система координат!

Я смотрю на физические свойства черных тел. График показывает максимум кривой реликтового фона на примерно 2мм. Закон смещения Вина утверждает, что T = k/ &lambda , поэтому T(Кельвин) 2.9/ &lambda (мм). Таким образом, температура реликтового фона равна 1.4 Кельвина. В чем фокус?

Прислал GASNER"AT"aol.com 10/98

Нагретый объект излучает энергию в диапазоне длин фолн. Идеально нагретые объекты называют "черными телами". Закон Вина является простым свойством черного тела, который гласит, что максимальный выход (в длинах волн) связан с температурой: более горячие объекты имеют максимум на более коротких (фиолетовее) длинах волн, более холодные объекты имеют максимум на более длинных (краснее) волнах. Обычная формула такая: &lambda_max×T=2.9. Закон Вина явным образом говорит Вам, где находится максимум энергии, излучаемой в единичное время с единичной площади на единичную длину волны. Эту величину обычно называют "интенсивностью". Когда Вы имеете дело с интенсивностью, Вы вольны решать, хотите ли Вы использовать единицы длины волны или единицы частоты (поскольку они просто связаны через скорость света: &lambda × &nu =c). Для единиц длины волны является естественным иметь дело с I _&lambda, величина на единичную длину волны. Если Вы используете единицы частоты (Гц), тогда естественно иметь дело с I_&nu, величина на единичную частоту.

Максимум для I _&nu немного сдвинут по сравнению с максимумом для I_&lambda. Зная форму одной кривой Вы можете легко вычислить форму другой. Таким образом это простой (тоько немного беспорядочный!) способ вычислить смещение. Даю слово, что максимум для I_&nu расположен на частоте, соответствующей длине волны &lambda_max(мм)×T(K)=5.1. Для этой кривой максимум черного тела для реликтового фона составляет около 2мм, и потому, так и должно быть, как Вы видели на графике. Для графика I_&lambda, максимум будет ближе к 1 мм.

Несколько лет назад в одной телепередаче (возможно PBS, NOVA) был сюжет о фоновом излучении, с интересным поворотом. Приглашенные ученые перевели излучение, которое они обнаружили, в длины звуковых волн, слышимые человеком. Это был невероятно очаровательный шум, кроме того, что это было "звучание Вселенной", это проходило как смесь белого шума и гипнотических повторов. Я надеялся, что кто-нибудь в сети транслирует этот превращенный звук, но он не попался мне до сих пор. Если Вы понимаете о чем я говорю, и у вас есть какие-либо записи фонового излучения под рукой (или Вы знаете куда мне можно направиться), я был бы Вам премного благодарен.

Прислал michael_wynne"AT"yahoo.com 10/98

Я тоже смутно помню это. Кто нибудь еще помнит специальное сообщение? Дайте знать!

Частоты на много порядков величины выше, чем что-либо, что можно услышать. С другой стороны, длина волны фотонов реликтового фона совершенно подобна длинам волн звука, который Вы можете слышать. Поэтому, если Вы возьмете волны звукового диапазона и создадите диапазон волн с интенсивностью, даваемой формой чернотельного спектра с температурой 2.7 Кельвина, тогда, я полагаю, это будет похоже на "прослушивание голоса Вселенной". Звучит круто!

результат должен звучать как "шум", хотя должен существовать диапазон длин волн, с максимумом в некотором частном месте (грубо 1 мм), поэтому я точно не знаю, как это должно звучать. Разумеется, звук будет повторяться! Я думаю, фактически длины волн немного короче, поэтому Вы можете смошенничать может быть в 100 раз, чтобы получить звук вблизи центра отклика вашего уха. Я также полагаю, что, из-за того, что ухо является логарифмирующим детектором, Вам, может быть, придется поиграть также с масштабом интенсивности, чтобы услышать что-либо интересное.

Я понимаю, что существует лишь один ответ, с которым я могу Вам помочь, = внести предложение в компанию относительно документирования TV = и навести справки о передаче. [сокращено]

Прислал tmgulland"AT"hotmail.com 10/03

Ну, здесь в Великобритании у нас шла программа 'Brain Spotting' автор Кеннет Кэмпбелл (которому я послал экземпляр моей книги), она шла на Канале 4, студия Windfall Productions, в, я думаю, 1997 или 1998г, или типа того. Я позвонил на Канал 4 несколько лет назад - они просто вводят те данные, что Вы им даете, и находят ответ.

Можете ли Вы сказать мне конкретно, каковы длина волны и частота реликтового излучения? Чему равно это излучение в Ваттах на квадратный метр реликтового фона на поверхности Земли. Есть ли где-то опубликованная конструкция/схема приемника реликтового излучения, которую можно построить, чтобы обнаружить и проконтролировать флуктуации реликтового фона.

Прислал amchitka"AT"email.msn.com 11/98

Реликтовый фон имеет "чернотельный" спектр, т.е. его спектр покрывает диапазон длин волн (или частот), с максимумом около нескольких милиметров (или на частоте около 150 ГГц). Этот максимум, и общая форма спектра являются характерисиками излучения от чего-либо (в данном случае от всей Вселенной!) что находится в термическом равновесии при примерно 3 Кельвинах. Вы можете посчитать поток суммированием вкладов чернотельного спектра. Ответ такой, что существует около 400 реликтовых фотонов на кубический сантиметр Вселенной, все они движутся со скоростью света, и создают поток в 3.14× 10^-6Вт/м² (на поверхности Земли, и где угодно!).

Обнаружение самого реликтового фона вещь относительно простая, поскольку Вы не можете не обнаружить его на любом широковещательном приемнике, который воспринимает в любом месте диапазона от нескольких ГГц до нескольких 100 ГГц. Однако, это не представляется особенно волнующим, поскольку это в основном просто избыточный шум. По существу реликтовый фон просто добавляется к фоновому шипению, однако этот такой уровень фона, от котрого Вы не сможете избавиться конструируя более качественный приемник (именно так Пензиас & Вильсон обнаружили его в 1965г. Поэтому ответ состоит в том, что достаточно легко обнаружить реликтовый фон, но, возможно, очень трудно убедить себя, что вы его обнаружили!

Однако флуктуации это уже совсем другое дело, поскольку из всегда очент сложно обнаружить. Диполь (одна сторона неба горячее, чем другая) в 100 раз труднее заметить, чем сам реликтовый фон. Я полагаю, это может быть возможно с изготовленным дома оборудованием. Вам нужно отследить различие в "шуме" между парой сильно различающихся направлений (и избегая плоскости Галактики, которая стремится встать на пути). Флуктуации малых масштабов примерно еще в 1000 раз слабее, и сложны для обнаружения даже в лучших в Мире экспериментах!

Я думал о предсказании температуры реликтового фона в 1940х. Возожно ли предсказать температуру реликтового излучения, зная лишь постояную Хаббла и отношение числа нейтронов и протонов или понадобятся какие-то дополнительные предположения?

Прислал schleif"AT"mail.desy.de 11/98

В ряде статей в конце 1940х и начале 1950х Альфер, Герман & Гамов предсказывали, что может существовать термический фон от горячей ранней фазы Вселенной. Существует много вариантов на пути такой аргументации, но давайте попробуем упростить.

Основная идея состоит в том, что мы хотим начать со Вселенной, в которой частицы высоких энергий (включая фотоны) находятся в равновесии, а затем создать легкие элементы по мере расширения и охлаждения Вселенной. Чтобы получить Вселенную, содержащую разумное количество гелия и водорода (все наблюдения свидетельствуют, что в среднем во Вселенной имеется около 25% весовых гелия) нам понадобятся ядерные температуры, существовавшие когда возраст Вселенной был порядка времени, необходимого для распада свободного нейтрона. Грубо говоря, нам потребуется чтобы Вселенная была наполнена миллиардами Кельвинов излучения и имела возраст несколько минут. Если у Вас также есть приблизительное представление о том насколько быстро вселенная расширяется сегодня (постоянная хаббла), то Вы примерно знаете, какой возраст Вселенная имеет сегодня, и насколько она расширилась с тех пор, как её возраст был равен нескольким минутам. Тогда, Вы можете оценить текущую температуру излучения, которая соствляла миллиарды Кельвинов в те ранние времена, и Вы получите число, которое составляет лишь несколько Кельвинов сегодня.

Это не точное предсказание. Оно просто говорит, что вы не должны удивляться, если обнаружите реликтовое излучение с современной температурой в несколько Кельвинов. Вероятно Вы смежете уточнить его, получив более точную оценку для температуры реликтового фона в пределах фактора 3 или вроде того. Но для уточнения этой величины дальше существует слишком много неопределенностей. на самом деле это температура микроволнового излучения является той величиной, которую следует измерить, чтобы уточить другие параметры космологии.

Тема "Нуклеосинтеа Большого взрыва" являтся по существу противоположностью дл этого аргумента. Вы берете все оценки изначаьный содержаний легких элементов (изотопы подорода и гелий, наряду с литием, и следами бериллия и бора) и находите, что Вы можете удовлетворить всем данным, если у Вас имется определенное значение особого параметра. Этим параметром является отношение сегодняшней плотности фотонов к барионам (барионы это протоны и нейтроны). Таким образом, если Вы знаете температуру реликтового фона, и, соответственно, его плотность, то Вы можете использовать содержания этих легких элементов для оценки плотности барионов во Вселенной. Фактически такой расчет дает примерно в 10 раз меньше барионов, чем общее количество массы, по-видимому присутствующее во Вселенной, это приводи нас к убеждению, что там существует большое кличество "темной материи".

Старый аргумент Гамова, Альфера & Германа является в основном грубой версией таких расчетов по нуклеосинтезу, когда Вы задаетесь какой-либо величиной барионной плотности сегодня, и из нее предсказываете температуру фотонов.

Являются ли реликтовые фотоны просто высокоэнергичными фотонами, которые возникли при появлении Вселенной, и смещались в красную область через весь электромагнитный спектр благодаря расширению Вселенной? Или это нечто более сложное?

Прислал bchaikin"AT"aol.com 11/98

Вот именно!

Позвольте мне уточнить, сказав, что реликтовые фотоны появились существенно позже появления Вселенной (когда бы это ни сулучилось). Здесь под "существенно позже" я имею в виду, может быть, секунды!

Реликтовые фотоны вышли из того времени, когда Вселенная была так горяча, что целое море частиц создавалось и ыбстро аннигилировало, и таким образом находилось в равновесии с фотонами. Существовало по существу равное число всех частиц, о которых Вы когда-либо слышали, включая фотоны. По мере расширения и охлаждения Вселенной, различные частицы аннигилировали (а вокруг не существовало уже энергии, чтобы воссоздать пары частица-античастица по мере того, как они аннигилировали с образованием фотонов), что увеличивало количество фотонов по отношению к частицам материи. В этот момент космические микроволновые фотоны на самом деле являлись космическими гамма-фотонами, поскольку это были высокоэнергичные гамма лучи. Последнее такое событие (аннигиляция электрона и позитрона) случилось примерно через минуту после Большого взрыва. Поэтому фотоны в действительности создавались не в самый первый момент, а существенно позже!

с расширением Вселенной увеличивалась длина волны этих фотонов, как Вы правильно написали. Но кроме того, они еще обменивались энергией с материей, и фактически существовали процессы, которые могли создавать новые фотоны примерно вплоть до одного года после Большого взрыва. В этот момент фотоны были низкоэнергичными рентгеновскими фотонами. После этого, существовали еще медленные процессы, которые могли действовать на некоторые фотоны (изменяя их направление или мягко меняя их энергию), и эти процессы взаимодействия с материей на самом деле прекратились лишь когда Вселенная стала нейтральной примерно через 300,000 лет после Большого взрыва. В этот момент фотоны находились в ближней инфракрасной части спектра. С тех пор они почти совсем не взаимодействовали, а путешествовали по расширяющейся Вселенной, смещаясь в микроволновую область.

Я скептик, часто сталкивающийся с аргументами Христиан в доказательство существования Бога, разбираюсь с реликтовым фоном. Но меня озадачивает следующее, хотя они признают реликтовое излучение как "факт", они игнорируют ту часть, что возраст Вселенной составляет 10-20 миллиардов лет. Является ли то, что возраст Вселенной составляет 10-20 миллиардов лет, существенным элементом современной астрономической теории Большого взрыва и реликтового излучения? Или теория будет также работать, если возраст Вселенной составляет лишь несколько тысяч лет?

Прислал xfaberman"AT"sprynet.com 2/99

Может быть на этот вопрос будет трудно ответить, поскольку обычно я стараюсь избегать столкновений с религиозными убеждениями людей. Однако, существует большая разница между аргументированным набором верований в духовную сущность, и неким безумием, которое привлекает частичное понимание научных концепций, чтобы подтвердить некую юродивую теологию!

В моем понимании не существует такой вещи, как доказательство существования Бога. И что в действительности такие доказательства идут в разрез с основными принципами многих основных мировых религий, где наличие Веры является чем-то, что превосходит идею научного доказательства. однако, я не являюсь теологом, потому, возможно, я совершенно не прав в этом.

То, что я действительно понимаю, есть некая научно состоятельная картина того, что происходит во Вселенной. Потому позвольте мне перейти к этому, оставив в стороне все вопросы того, как это может (или не может) соотноситься с частными религиозными точками зрения каждой индивидуальности to sort out for themselves. Похоже на то, что физическая реальность существует, и что она может быть понята путем применения принципов рационального мышления и эмпирической проверки. Это та Вселенная, которую я знаю и люблю, и у меня есть замечательно согласованная картина того, как реликтовый фон соответствует всему этому!

Когда впервые было открыто реликтовое излучение, и в течение нескольких лет после этого, было точно не ясно, какого оно было происхождения. Идея, что оно является "остатком Большого взрыва", имела наибольший смысл, однако некоторое время существовала возможность, что реликтовый фон мог быть создан локально, излучением некоторых типов частиц пыли, либо в окрестностях Солнца, либо, возможно, распределенной локально во Вселенной. По мере того, как измерения спектра показывали, что он становился все ближе и ближе к "черному телу", такие альтернативные способы возникновения микроволнового излучения становились все менее логичными. Кроме того, были и другие аргументы против этих идей, т.е. как мы можем наблюдать очень далекие галактики через всю эту предполагаемую пыль? Поэтому сегодня мы твердо убеждены, что единственным разумным объяснением микроволнового фона является то, что он представляет собой излучение, оставшееся от очень горячей ранней фазы Вселенной.

Не существует способа примирить реликтовое излучение с очень молодой Вселенной (разумеется до тех пор, пока Вы просто не заставите Вселенную выглядеть будто она старая!) Но тогда Вы не сможете примирить существующую лишь несколько тысячелетий Вселенную с огромным количеством других свидетельств: исторические записи и археологические доказательства, что человеческая цивилизация существовала много тысяч лет назад; все, что мы знаем из геологии, т.е. возраст различных скал на Земле, Луны, метеоритов и так далее.; наблюдений астрономических объектов, которые расположены от нас намного дальше, чем несколько тысяч световых лет; и т.д. и т.п.

Для меня, космическое фоновое излучение (само по себе) просто предполагает некое прошлое или существующее вещество Вселенной или явление, которое является высоко изотропным и сильно непрозрачным. Меня очень интересует насколько строгие ограничения накладывает текущее знание о микроволновом фоне на "Hat-stand" космологические рассуждения. Например, действительно ли микроволновое излучение, само по себе, исключает плоское пространство? Периодическую Вселенную? Возраст Вселенной в триллион лет? Огромную Вселенную?

Прислал hazelf"AT"ix.netcom.com 2/99

Вы правы по существу, что сам по себе микроволновый фон предполагает "некое прошлое или существующее вещество Вселенной или явление, которое является высоко изотропным и сильно непрозрачным". Однако, несомненно, это не должно восприниматься само по себе, поскольку существует множество других хорошо установленных фактов, которые мы теперь знаем о Вселенной. Например, в течение 75 лет нам известно, что Вселенная расширяется. Наряду с реликтовым фоном, это свидетельствует, что существовала ранняя, горячая, плотная фаза в истории Вселенной, и что микроволновый фон является реликтом этой фазы. Другая разумная альтернатива мне неизвестна.

Что касается того, насколько микроволновый фон исключает различные "hat-stand" идеи, это зависит от того, насколько они сумашедшие! Конечно существует продолжающееся расследование вопроса кривизны Вселенной как целого, и в пределах некоторый границ мы, в настоящий момент, не уверены насчет того, насколько она искривлена. Наилучшим решением в данный момент является плоское (но расширяющееся) пространство, с некотрым участием определенного количества плотности энергии вакуума (также называемой "космологической постоянной"). Но она может иметь отрицательную кривизну ("открытая" Вселенная), и закрытая геометрия также пока не исключена полностью (хотя она непопулярна в настоящее время).

Пространственно-временная структура Вселенной также может быть некоторым образом периодической, но только если величина шкалы периодичности очень велика, иначе Вы значительным образом испортите микроволновый фон.

Вопрос о том, сколько лет Вселенной, возможно является интересным. Существуют нижние границы возраста Вселенной, по находимым в ней старейшим объектам (например, шаровым скоплениям). Однако менее ясно, как можно получить верхний предел. Наиболее удовлетворяющие эксперименту версии моделей Большого взрыва обеспечивают расширение за время около 13 миллиардов лет, и они также не дают возраст старше, скажем 15 миллиардов лет (предполагая, что ничего особенно странного не происходит). Однако я уверен, что Вы не можете в нстоящее время исключить Вселенную, которая по существу ничего не делала триллионы лет, а затем решила быстро расширяться, или такую, что могла еще ранее иметь фазу сжатия (или даже расширения), или в самом деле множество фаз перед этой. В некоторой степени мы впадаем в этом случае в метафизику, поскольку это не очевидно, что Вы сможете когда-нибудь проверить такие гипотезы. По-прежнему, самым простым решением является то, что наша текущая фаза является единственной существовавшей, и что она не может иметь возраст в триллионы лет.

На мой взгляд микроволновый фон, наряду с изобилием другой информации, которая у нас есть о Вселенной как целого, описывает изумительно связную картину. И эта картина - что Вселенная началась около 15 миллиардов лет назад и расширялась и охлаждалась с тех пор - выглядит достаточно безумной! (Намек на "достаточно безумную идею" по мысли Нильса Бора - прим. Переводчика) Причина верить в нее заключается в том, что она является очень простой идеей, и что она работает удивительно хорошо.

Если реликтовый фон был создан большим взрывом и процессами, протекавшими в течение нескольких первых моментов существования Вселенной, то разве им было недостаточно времени, чтобы унестись со свистом в открытое пространство, быстрее, чем движущаяся не со скоростью света материя (т.е. нам), которая двигалась из места Большого взрыва, в таком случае мы не должны наблюдать его, как мне кажется?

Прислал vince.bowdren"AT"jobstream.co.uk 3/99

Это похоже на другие вопросы, которые я получал много раз. Ответ очень прост - Ваша мысленная картина не верна! Поскольку модель Большого взрыва, расширяющаяся Вселенная, скорость света и прочее, всё это далеко от ежедневного опыта, существует множество способов, которыми люди могут создать неверное представление у се6я в головах.

Первое, что нужно понять, это то, что не существует ничего вне Вселенной! По определению Вселенная есть всё, что существует: мы живем внутри неё; и она не расширяется ни во что.

Второе, что Вы должны ясно понять, это то, что Большой взрыв произошел одновременно везде, и вскоре после этого были созданы все фотоны микроволнового фона, и пережили свое последнее взаимодействие с материей. Поэтому те фотоны в самом деле выстрелили в пространство во всех направлеиях со скоростью света.

Реликтовые фотоны, которые мы видим сегодня, пришли к нам из областей Вселенной, удаленных на примерно 13 миллиардов световых лет, если, например, возраст Вселенной 13 миллиардов лет. В действительности не важно, в каком направлении на небе мы смотрим.

Возможно Вам поможет, если Вы попробуете понять, что же случилось с фотонами, которые были созданы прямо тут всё это время назад. Такие особые реликтовые фотоны неслись со свистом со скоростью света во всех направлениях, и теперь обнаружены удаленными наблюдателями, скажем, находящимися на расстоянии 13 миллиардов световых лет, как часть их Космического микроволнового фона.

Более подробное объяснение предложено Недом Райтом - прим. переводчика.

Я являюсь студентом, изучающим Астрономию (сокращено) ... можете ли Вы проверить мои ответы на вопросы по микроволновому излучению из моего последнего задания?

Прислал mmar"AT"sprynet.com 3/99

Q: Объясните, почему микроволновое фоновое излучение считается хорошим доказательством теории Большого взрыва?
A: Космическое микроволновое фоновое излучение обнаруживается везде, заполняет всё пространстов. Оно было предсказано в 1948г Георгом Гамовым с соавторами, как охлажденные остатки горячего ядра, созданного Большим взрывом. Вследствие этого Вселенная представляется меняющейся со временем. такое заключение подтверждается наблюдаемой эволлюцией галактик и квазаров, если мы наблюдаем далекие и, следовательно, более молодые пределы Вселенной. Поэтому мы исключили Пинцип неизменности Вселенной и теорию стационарного состояния, и приняли Космологический принцип и Большой взрыв в качестве основной предпосылки. 2.73K реликтовый фон является излучением, оставшимся от Большого взрыва.

Q: Почему космический фон имеет сегодня такую низкую температуру?
A: За низкую температуру фона может отвечать происходящее с расширением вытягивание их длин волн. Фотоны не замедляются. Расширение влияет лишь на длины волн и частоты. Важным эффектом постоянного расширения Вселенной является смещение в красную область спектра, что было фотонами в середине диапазона видимого света, то попало в микроволновую область.

Я бы сказал, очень хорошие ответы, которые я лишь немного подредактировал. К сожалению, я сделал это слишком поздно, чтобы помочь Вам с Вашим заданием! Я полагаю, что Вы сдали?

Какую физику выявит или исключит фрактальный анализ реликтового фона, если возможно?

Прислал tr211"AT"hermes.cam.ac.uk 4/99

Короткий ответ - никакой!

Чуть более длинный ответ такой, до той степени. когда флуктуации реликтового фона ведут себя примерно как степенной закон в масштабе, по меньшей мере, при наибольших угловых разрешениях, то такой анализ уже был широко проведен для данных COBE. Относятся ли люди к этому или нет как к фракталу, является вопросом личных предпочтений, но Вы можете, разумеется, прочесть всё об этих анализах в оригинальных статьях в журнале "Astrophysical Journal". Однако, сейчас существуют четкие доказательства, что этот степенной закон (или фрактал) не распространяется на меньшие масштабы. Более того, простейшие теории предсказывают избыточные флуктуации на градусной шкале, и обильные структуры на шкалах мельче этой. Это гораздо более интересно и информативно, чем надоедливый старый фрактал!

Предполагая, что Вселенной четырнадцать милиардов лет - как много энергии (в эргах) заключено в космическом микроволновом фоне (во Вселенной)?

Прислал sclufer"AT"pop.erols.com 6/99

Поскольку нам точно известна температура микроволнового фона, и мы знаем, что оно очень хорошо описывается как равновесное (чернотельное) излучение, то мы знаем практически всё о нём. В часности его плотность энергии является просто стандартной физической постоянной, умноженной на четвертую степень температуры, которая оказывается равной около 0.262 эВ см^-3, или около 4.21 × 10^-13 эрг см^-3. (Я бы мог спросить почему Вы используете устаревшую единицу, такую как эрг, но не будем отклоняться от сути!).

Всегда существует проблема того, что Вы понимаете под словом "Вселенная", поскольку в принципе она может быть бесконечной. Однако, на практике, мы знаем лишь об области, из которой свет мог достичь нас за время, равное возрасту Вселенной. Если возраст Вселенной составляет 14 миллиардов лет, тогда наблюдаемая Вселенная имеет радиус примерно 14 миллиарда световых лет (на самом деле немного другой, поскольку она расширяется, но мы уже договорились не отклоняться от сути!).

Таким образом, полная энергия реликтового фона в наблюдаемой Вселенной составляет просто плотность энергии, умножить на объем сферы с радиусом 14 миллиардов световых лет. Получается величина около 4 × 10⁷² эрг. Какими бы единицами Вы ни воспользовались, это очень много энергии!

Предполагая, что критическая плотность равна 5 × 10^-30 г/см³ (примерно равно одному атому водорода в сосуде со стороной 130 сантиметров усредненно по всей наблюдаемой Вселенной), скольки эрг это соответствует? Как это соотносится с реликтовым фоном?

Прислал sclufer"AT"pop.erols.com 7/99

То, что Вы хотите сравнить, является энергетическим эквивалентом массовой плотности. Поэтому Вы умножаете плотность массы на c², чтобы получить плотность энергии (используя знаменитое уравнение!). Вы обнаружите, что плотность энергии реликтового фона примерно в 10,000 раз меньше, чем текущая плотность массы. Точная величина зависит от того: (a) насколько много существует темной материи; и (b) насколько быстро расширяется Вселенная.

Более подробно, критическая плотность определяется формулой &rho_critical=3 H₀²/(8 &pi G), и действительная плотность равна &omega умножить на эту величину (где &omega находится заведомо между 0 и 1, и говорит нам, какую долю от критической плотности имеет наблюдаемая Вселенная). Если Вы возьмете постоянную Хаббла в размере H₀=100×h км/сек/МПс, при "h", обозначающей степень неопределенности постоянной Хаббла (вероятно 0.5 < h < 0.8), тогда плотность Вселенной есть численный фактор, умножить на &omega h². Затем Вы можете это умножить на квадрат скорости света, чтобы получить эквивалентную плотность энергии. Затем, взяв отношение этой величины к плотности энергии реликтового фона, Вы получите величину типа &rho_{материя}/ &rho_{излучение} = 40,000 &omega h².

При всех разумных значениях &omega и h эта величина близка к 10,000. Из-за того, что эта величина настолько велика, мы говорим, что во Вселенной сегодня "доминирует материя". Однако, мы знаем, что при сжимании ящика, наполненного излучением и материей, это отношение уменьшается. Поэтому в расширяющейся Вселенной мы ожидаем, что если мы вернемся назад в довольно ранние времена, то там будет доминировать плотность энергии излучения. Следовательно мы говорим о ранней Вселенной (до примерно 100,000 лет после Большого взрыва), что в ней "доминирует излучение".

Упростить некоторые расчеты Вам поможет Космологический калькулятор Неда Райта - прим. переводчика.

Когда свет путешествует через гравитационное поле, он искривляется а также может смещаться в красную область. Когда свет путешествует 40 миллиардов лет через космос и гравитационные поля он должен сместиться в красную область. Учитывалось ли это при расчете постоянной Хаббла и возраста Вселенной?

Прислал DNoga"AT"stpaulshosp.bc.ca 8/99

Короткий ответ "да", и у меня было искушение этим ограничиться!

Но привычка принудила меня быть более многословным.

Сначала позвольте мне пояснить, что оценки возраста Вселенной дают величину около 14 миллиардов лет (40 это далеко в сторону удлинения). Эти оценки включают подсчет возраста самых старых объектов (например шаровых скоплений) а также определение того, насколько быстро расширяется Вселенная, наряду с тем, насколько менялась скорость расширения. Точные вычисления проведены в контексте моделей простого пространства-времени, которые соответствуют Общей теории относительности Эйнштейна, и, таким образом, верно отражают все влияния гравитационных полей.

Возможно также будет полезно разъяснить смещение в красную область. Влияние гравитации обычно описывается как "гравитационный потенциал". В пустом пространстве этот потенциал не меняется, и Вы можете представить облако материи в виде "потенциальной ямы", например область, где потенциал низкий (фактически знак эффекта очень важен, но существует соглашение рассматривать материю как "провалы" в потенциале). Когда свет покидает объект, находящийся на дне потенциальной ямы он смещается гравитацией в красную область по пути наружу. Следовательно, свет, приходящий с поверхности белого карлика или нейтронной звезды (которые являются очень глубокими потенциальными ямами) может быть существенно смещен в красную область, а свет от ближайшей черной дыры должен быть крайне смещен в красную область. Аналогично, если бы Вы жили внутри потенциальной ямы, тогда Вы бы видели весь свет, приходящий снаружи, смещенным к фиолетовому концу спектра. ОДНАКО свет, который путешествует просто через потенциальную яму получает фиолетовое смещение на своем пути внутрь, и красное смещение по пути наружу, которые взаимно сокращаются. Поэтому Вы не получите никакого эффекта.

Точнее, искривление света и красное смещение на облаках массы во Вселенной могут иметь волнующие наблюдательные последствия. Всё богатство явления гравитационного линзирования, например. Существует и прямое отношение к реликтовому фону, поскольку в малых масштабах микроволновые фотоны подвержены действию облаков материи в относительно ближней Вселенной, что создает мелкомасштабные горячие и холодные пятна ("анизотропию") микроволнового неба. Гравитационное линзирование влияет на анизотропию реликтового фона на измеримом уровне. И другой возможный сигнал может быть вызван влиянием потенциальных ям, которые меняются в то время, когда микроволновые фотоны пересекают их. Это создает очень слабые эффекты, которые когда-нибудь могут быть обнаружены в угловом масштабе галактик или скоплений галактик, возможно дав нам дополнительную информацию о том, как образуются такие объекты.

Измерялось ли или рассчитывалось на основе моделей красное смещение практически абсолютного черного тела, например микроволнового фона? Если измерялось, то какая полоса поглощения использовалась в качестве опорной?

Прислал LABELE"AT"aol.com 9/99

Звучит так, как будто Вы уже ответили на этот вопрос! Поскольку не существует опорной линиии, Вы не можете измерить красное смещение. На самом деле не существует способа увидеть разницу между черным телом с низкой температурой и черным телом, излучение которого сместилось в красную область - спектр остается в точности той же формы по мере раширения Вселенной. Если Вы подумаете, если бы это было не так, то спектр реликтового фона с расширением Вселенной изменил бы форму, и, следовательно, было бы весьма маловероятно, чтобы мы наблюдали его таким точным абсолютно черным телом сегодня.

То же самое другими словами, Вы можете считать микроволновый фон излучением черного тела, существующего сегодня, с температурой примерно 3 Кельвина, или излучением черного тела 30 Кельвинов, которое было смещено в красную область в 10 раз, или излучением 300 Кельвинов, которое было смещено в 100 раз, и так далее. Всё это эквивалентно.

Когда рассматривается теоретический аспект, то реликтовые фотоны взаимодействовали с материей последний раз, когда температура Вселенной была порядка 3000 Кельвинов, и фотоны сместились в красную область с тех пор примерно в 1000 раз. Поэтому Вы можете считать их выглядящими с таким красным смещением. Однако сами фотоны образовались гораздо раньше, in в более горячую эпоху. И потому, возможно лучше изобразить их как свечение того периода ранней Вселенной, когда температура была миллиарды Кельвинов, и следовательно Вселенная расширилась в милиарды раз с тех пор, и мы наблюдаем сегодня реликтовый фон с температурой 3K.

Хотя существуют общие аргументы (включающие синтез легких элементов в ранней Вселенной, например) для предсказания, что реликтовый фон должен иметь приблизительно по порядку величины ту температуру, что наблюдается (и эти аргументы обсуждались еще в 1940-х годах), я не сомневаюсь, что другие аргументы могли бы возникнуть, если бы оказалось, что температура совсем другая. Не существует известных фундаментальных причин, которые могут объяснить, почему текущая температура равна 3K, а не, скажем, 5K или 0.2K.

Имеет ли какое-либо отношение время разделения к длине свободного пробега фотонов, когда Вселенная расширилась и охладилась до приблизительно 3000 K?

Прислал LABELE"AT"aol.com 9/99

Да!

примерно при 3000K излучение стало достаточно холодным, чтобы позволить электронам соединиться я ядрами (много водорода и гелий), и, таким образом, Вселенная стала нейтральной.

Далее, фотоны гораздо сильнее взаимодействуют с заряженными частицами, чем с нейтральными (не удивительно, поскольку фотоны являются частицами-переносчиками электромагнитнонго взаимодействия). В часности, когда Вселенная бала ионизована, были частыми взаимодействия со свободными электронами. Но как только Вселенная стала нейтральной (когда температура упала ниже примерно 3000K) фотоны больше не "видели" материю, и просто путешествовали свободно в пространстве. Среднее расстояние до того, как фотон встречался с материей (известное еще как "длина свободного пробега") изменилось с очень короткого в раннее время, до чрезвычайно длинного в более поздние времена. Эра, знаменующая это событие, есть "эпоха последнего рассеяния", когда Вселенная стала нейтральной.

Мы наблюдаем анизотропию реликтового фона главным образом из этого времени - невозможно увидеть намного дальше в прошлое, поскольку это похоже на попытку смотреть сквозь плотный туман. микроволновое небо можно считать окружающей нас далекой сферой, с анизотропией, которую мы видим находящейся на этой сфере там, где "туман" был чуть менее плотным.

Интересно, почему микроволновый фон достигает нас лишь сейчас; проходило ли начальное расширение Вселенной с такой большой скоростью, что свет не мог за ним поспеть, и потому приходит к нам лишь теперь?

Прислал hbchai"AT"hotmail.com 10/99

Как я уже писал, когда отвечал на подобный вопрос ранее, я думаю Вам нужно получить более хорошее мысленное представление о микроволновом фоне, чтобы не путаться. Для этой цели гораздо полезнее думать о нас, что мы находимся в центре сферической области Вселенной, с микроволновыми фотонами, приходящим к нам со всех направлений (люди в других местах во Вселенной тоже считают себя находящимися в центре сферической области, поэтому не существует истинного центра Вселенной!). Мы будем видеть фотоны имикроволнового фона завтра и через день, но они прийдут с немного других мест, поскольку микроволновый фон образовался повсюду в ранней Вселенной.

Вселенная заполнена реликтовыми фотонами, путешествующими со скоростью света. Когда мы смотрим в определенном направлении, мы видим фотоны, которые были созданы световое время путешествия назад в том направлении. Давайте для простоты предположим, что они появились в первый момент, t=0 (на самом деле, они последний раз взаимодействовали с веществом примерно через 300,000 лет после Большого взрыва). Если Вселенной, скажем, 13 миллиардов лет, тогда мы видим реликтовые фотоны, которые двигались к нам в течение 13 милиардов лет. В другом направлении мы видим фотоны, приходящие из других мест, которые также путешествовали 13 миллиардов лет.

Некто, живущий на планете, расположенной в 13 милииардах световых лет от нас, будет видеть реликтовые фотоны, приходящие оттуда, где находимся мы, если они смотрят в нашем направлении. Следовательно, они могут узнать о том каким был наш маленький уголок Вселенной 13 миллиардов лет назад. мы не можем видеть свою собственную область в любое другое время, кроме как прямо сейчас, но мы можем видеть всю сферу вокруг нас, расположенную на расстоянии 13 миллиардов световых лет. Когда мы изучаем микроволновое небо, мы изучаем кусочки Вселенной, находящиеся от нас на расстоянии 13 миллиардов световых лет, какими они были 13 миллиардов лет назад. Следовательно, изучение микроволнового фона дает нам статистическую информацию об очень ранней Вселенной.

Стало ли более понятно?

Я думаю о картофелине в микроволновой печи ... Откуда исходит микроволновое излучение? Другими словами, что или где та картофелина, которая излучает энергию?

Прислал skelley"AT"fc.fcps.k12.va.us 11/99

То, что излучает микроволны есть всеобщая картофелина! То есть, это вся Вселенная. Если хотите, Вы можете считать нас находящимися в микроволновой печи, которая, быть может, когда-то была очень горячей, но в данный момент имеет температуру около 2.7 Кельвина. Поэтому Вселенная наполнена излучением с температурой 2.7 градуса выше абсолютного нуля - и что излучение произошло от материи, когда она была горячей, очень рано в истории Вселенной.

Может быть полезно будет думать так: в обычной печи излучение приходит от нагревательных элементов. Инфракрасное излучение излучается и путешествует со скоростью света, поглощаясь стенками печи. Теперь представим себе печь с очень далекими стенками, наполненную горячими излучающими элементами. Если все они однажды были включены, а затем выклучены, то некоторое время позже (скажем, 1 час) мы бы увидели излучение, приходящее от тех частей, которые находятся на расстоянии 1 световой час. Кто угодно в такой печи также увидит излучение, приходящее от различных илучателей, но в целом увидит то же самое. Теперь представим, что печь расширяется, поэтому излучение, приходящее от удаленных источников тепла становится растянутым по пути к нам, поэтому одно имеет более длинныей волны, и поому выглядит более холодным. Если Вы можете это представить, то Вы довольно близки к полному пониманию модели "горячего Большого взрыва" во Вселенной!

Хочу спросить, взможно ли усылшать "звук" Космического микроволнового фонового излучения. Существует ли некий вид записи? Как я могу его получить?

Прислал manoribas"AT"yahoo.com 11/99

Кто-то уже задавал мне похожий вопрос раньше. Но я чувствую здесь немного иной источник заблуждения.

Популярные сообщения о Космическом микроволновом фоне часто используют выражение "эхо Большого взрыва". Под этим подразумевается аналогия, но к сожалению, это может подразумевать, что микроволновый фон как-то связан со звуковыми волнами. Поэтому позвольте мне разъяснить: икроволновый фон является ивдом излучения в котором купается Вселенная и которое можно собрать с помощью радиотелескопов. Эти микроволны являются формой электромагнитного излучения, какт и любые другие микроволны, и не имеют ничего общего со звуком (который является волнами сжатия, путешествующими, например, в воздухе). Вы, разумеется, не можете слышать микроволновый фон - если, конечно, у Вас нет радиоантенн вместо ушей!

На самом деле, можно усилить микроволновый сигнал и, разделив его частоту на подходящее число, направить сигнал в наушники. Максимум реликтового фона приходится на 150 ГГц. Если мы поделим частоту на (скажем) 10 миллионов, то получим на выходе из наушников шум с частотой около 15000 Гц или 15 кГц, который, конечно, будет иметь некое отношение к микроволновому фону - прим. переводчика.

На это замечание переводчика Дуглас Скотт ответил 01/06:
Дельное замечание. Фактор, которым Вы должны масштабировать радиочастоты микроволнового фона, чтобы попасть в диапазон человеческого восприятия звуковых волн, примерно равен 10⁷. Может кто-то пытался моделировать это и получил запись, как это звучит?

Является ли открытие микроволнового фона сильным доказательством того, что Вселенная однажды была намного горяее, чем сейчас?

Прислал croswell"AT"email.unc.edu 12/99

Да!

Смотрите ответ на некоторые вопросы выше. Простой ответ такой, что спектр микроволнового фона показывает, что он исходит от источника, который находился в состоянии очень совершенного теплового равновесия. Единственным таким источником, который мы знаем является ранняя Вселенная, в то время, когда она была намного горячее и плотнее. Существовали и другие предположения о возникновении микроволнового фона, предлагавшиеся в то время, когда спектр измерялся гораздо менее точно. Но с тех пор, как спектр стал известен очень точно, не одно из этих альтернативных предположений не является хоть сколько- нибудь возможным.

Я понимаю, что реликтовый фон пришел от "поверхности последнего рассеяния", которая была очень горячей. Температура фона (2.76K), таким образом, не может соответствовать температуре ТОЙ поверхности. Так что же это?

Прислал debouche"AT"kings.edu 1/00

В расширяющейся Вселенной свет смещается в красную область и таким образом теряет энергию. В действительности это то же самое, что и адиабатическое расширение газов, позволяющее охлаждаться Вашему холодильнику. Проще всего думать об этом в космологическом смысле, что фотоны растягиваются по пути к Вам, и Вы наблюдаете их с большей длиной волн, чем была у них, когда они возникли. Получается, что это раширение сохраняет форму "черного тела" кривой излучения, и потому микроволновый фон выглядит как черное тело с температурой, которая ниже на величину красного смещения между "поверхностью последнего рассеяния" и сегодня, что соответствует примерно 1000.

Я хочу узнать о воздействии шумов при получении изображений микроволнового фона от различных методов сканирования неба. Можете ли Вы мне просто объяснить, каковы "описанные методы" обработки изображений?

Прислал polmar"AT"pt.tizeta.it 1/00

Ах, технический вопрос!

Дело в том, что карты микроволнового фона создаются путем сканирования неба определеным способом. Поэтому какие-либо долговременные изменения в детекторах могут привести к появлению полос на небе. Они будут отражать геометрию стратегии сканирования, и, естественно, не должны интерпретироваться, как реальные. Тем не менее, они будут усложнять извлечение космологического сигнала, и, следовательно, в идеале желательно минимизировать таких эффекты полос.

Здесь существует несколько подходов. Прежде всего, и наиболее важно, разработать такой эксперимент, чтобы удерживать такие медленные изменения в детекторах насколько возможно более малыми. Во-вторых, разаработать такую стратегию сканирования, чтобы было действительно легко вычитать полосы. И в третьих развить методы извлечения полос из карты - здесь существует много материалов для изучения по анализу изображений в других областях.

Большая работа была недавно проведена по развитию методов извлечения таких инструментальных артефактов. И гораздо больше усилий будет преложено прежде чем спутник Планк (например) вернет данные. Я полагаю, таким образом, что наилучшие методы, которые будут быстрыми и точными, еще предстоит создать. Тем временем недавняя сводка некоторых лучших работ (в часности для части LFI эксперимента Planck) можно найти в статье Carlo Burigana и коллег [здесь]

Что насчет поляризации микроволнового фона? Измеряли ли её уже?

Прислал yurickk"AT"hotmail.com 3/00

Хороший вопрос!

Наряду с имеющимися изменениями температуры неба, микроволновые фотоны также немного поляризованы. Изменения направления поляризации в принципе могут быть измерены, и потому это существенно зависит от деталей космологических моделей, поскольку точные измерения поляризации могут наложить дополнительные ограничения на параметры теорий.

Короткий ответ на этот вопрос "нет". Однако предполагается, что такие измерения не за горами. Существует несколько экспериментов, либо уже существующих или готовящихся, которые обладают способностью измерять поляризацию микроволнового неба.

Первое, что будет сделано, это, вероятно, грубые измерений, которые выявят общий масштаб поляризованного сигнала. Если окажется, что он соответствует обычным теоретическм предсказаниям, тогда это будет хорошим доказательством в поддержку обычного здравого смысла. Если результаты будут сильно отличаться, тогда, конечно, это будет более интересно!

После этого последуют попытки измерения изменения поляризации с угловым масшабом, или, другими словами, поляризации энергетического спектра (на самом деле, существует более одного энергетического спектра для поляризации). Такие измерения могут помочь свести космологические параметры лучше, чем это возможно с одной лишь температурой. Например, если поляризация окажется более чувствительной к малым возмущениям со стороны гравитационных волн, действующих на микроволновый фон, что может дать информацию о ранней эпохе, когда закладывались начальные зародыши образования галактик. Другой пример состоит в том, что поляризация может также дать прямое измерение в той эпохе, когда происходила реионизация Вселенной (что-либо, что происходило в относительно недавней истории Вселенной благодаря ионизирующей радиации от звезд и квазаров). таким образом, измерения поляризации могут помочь разгадке дополнительных подробностей процессов, которые формировали структуру Вселенной.

Хотелось бы понять, как можно использовать микроволновый фон в статье про вычисления, которую я пишу. Как вычисления используются при анализе микроволнового фона? Какого вида формулы или методы при этом используются?

Прислал blaine_5"AT"hotmail.com 4/00

Это, безусловно, вопрос, какого мне еще не задавали!

Вычисления настолько широко используются в теоретической космологии, и при анализе данных, что я никогда на самом деле не задумывался о примерах. Вот, однако, один для начинающих: теоретические предсказания для микроволнового фона включают решение системы уравнений для изменения плотности, изменения температуры, и т.п.. Такие уравнения получают рассматривая малые отклонения от средней плотности и т.д. - и потому, разумеется, они включают дифференцирование. Чтобы сделать точные предсказания для определенной космологической модели Вы начинаете с неких простых начальных условий и затем развиваете их к настоящему времени - и это, разумеется, включает интегрирование.

Это просто группа примеров о теоретической стороне моделирования. Математическое рассмотрение анизотропий, и обсуждение аналитических методов обращения с нии, также наполнено вкраплениями интегралов и производных! Вычисления являются крутым изобретением. Как кто-то может прожить целый день, не пользуясь этим, не укладывается у меня в голове!

...если магнитный отечаток излучения все еще существует во Вселенной, то можем ли мы создать систему, чтобы впрячь эти импульсы, чтобы ... перемещать объекты через пространство... (сокращено)"

Прислал goomba"AT"ismi.net 3/00

Тот факт, что существует Космический Микроволновый Фон, пронизывающий Вселенную действительно означает, что плотность энергии "пустого" пространства не равна нулю. Существуют колебания электрического и магнитного полей наполняющие Вселенную, с эквивалентной температурой около 2.73 градуса выше абсолютного нуля.

Поэтому, разумеется, там существует энергия. Однако законы термодинамики гласят, что эту энергию фактически невозможно извлечь как полезную работу. Вам потребуется создать тепловой двигатель, который был бы соединен с чем то с еще более низкой температурой! И если Вы попытаетесь создать что-либо с более низкой температурой, это отнимет у Вас больше энергии, чем Вы сможете извлечь. Потому ответ состоит в том, что не существует очевидного способа использования энергии микроволнового фона в целях изготовления чего-то вроде мощных космических кораблей.

Но если Вы придумаете, как это сделать, то Вы должны сразу же получить на это патент, поскольку Вы в сущности получите вечный двигатель, о котором мечтали изобретатели в течение тысячелетия!

Подходящим холодильником для такого теплового двигателя могла бы в принципе стать черная дыра, поскольку эффективная температура типичной черной дыры почти неотличима от абсолютного нуля. Однако это, разумеется, далекая от практики тема, поскольку неясно как можно практически использовать черную дыру в двигателе, да и удельная мощность такого двигателя будет крайне незначительна - прим. переводчика.

Каким образом миллиард фотонов связан с микроволновым фоном с температурой 2.73K?

Прислал Saturn1001"AT"aol.com 3/00

Микроволновый фон очень точно соответствует излучению "абсолютно черного тела" - идеальная организация фотонов в состоянии теплового равновесия. Это спектр, который Вы получите, если возьмете контейнер с фотонами и позволите им прийти в равновесие, или то, что Вы получите, если нагреете идеальный источник/поглотитель излучения.

Особенность чернотельного распределения фотонов такова, что когда Вам известна температура, тогда Вы знаете и всё остальное тоже: плотность энергии, число фотонов в единице объема, длину волны максимума, и т.п. Для черного тела с температурой 2.73K, плотность частиц составляет 412.77 фотонов на кубический сантиметр.

В окружающей нас Вселенной мы также можем пытаться оценить среднюю плотность обычного вида материи, иначе известной под именем барионы (что означает протоны и нейтроны, в противоположность более экзотическим формам материи). Текущие оценки являются гораздо менее определенными, чем для плотности микроволновых фотонов, но выходит околоd 2 × 10^-7 барионов на кубический сантиметр. Если Вы возьмете отношение этих двух плотностей, то увидите, что в среднем Вселенная содержит около 2 миллирдов фотонов на каждый протон или нейтрон. Я полагаю, это и есть то число, о котором Вы спрашивали.

Фотоны, которые наблюдаются в наблюдениях микроволнового фона предположительно беспепятственно путешествовали в пространстве с некоторого времени после Большого взрыва. Однако в процессе этого они очевидно теряли энергию, поскольку менялась их длина волны. На что пошла эта энергия? Перешла ли она в гравитационное поле?

Прислал jamont"AT"visto.com 4/00

Удивительно, что меня не спрашивали об этом раньше, поскольку это очень хороший вопрос!

Существует несколько различных путей рассмотрения этого вопроса. Один из ответов состоит в том, что энергия переходит в потенциальную гравитационную энергию всей Вселенной. Другой ответ в том, что требуется энергия ена расширение Вселенной, и что эта "работа" передается содержимому, которое расширяется.

Еще один ответ в том, что охлаждение микроволнового фона с расширением Вселенной является частью простого решения уравнений теории относительности, которые описывают всю Вселенную, использующих теоретические основы Общей теории относительности, которая является хорошо проверенной теорией гравитации. И если часть такого решения представляется нарушающей закон сохранения энергии, вот незадача!

Я думаю, что красное смещение микроволнового фона z=1000 вызвано двумя эффектами. Эффектом Допплера вызванном расширением Вселенной. Другой эффект вызван гравитацией. Плотность материи снижается из-за расширения Вселенной, поэтому гравитационная яма уменьшается, поэтому длина волны возрастает. Хотелось бы узнать, какой эффект вносит больший вклад в красное смещение.

Прислал r_lichtensh"AT"yahoo.com 4/00

Первый эффект верен. Хотя лучше думать о расширении Вселенной, чем в терминах скоростей - Я объясню. Мы видим реликтовые фотоны на "поверхности последнего рассеяния", когда они взаимодействовали с матперией при z=1000 или около того. Это значит, что расстояния во Вселенной были меньше в 1000 раз, когда фотоны рассеялись последний раз, и они сместились в красную область по мере их путешествия через пространство к нам. Это более правильно, чем думать об эффекте Допплера, вызванном скоростью.

Второе описываемое Вами объяснение звучит как один из важнейших эффектов создания анизотропии микроволнового неба. Вариации гравитационной потенциальной ямы на поверхности последнего рассеяния (вызванные вариациями плотности материи в то время) привели к различным красным смещениям и фиолетовым смещениям реликтовых фотонов, по мере того как они карабкались из, или падали в, эти ямы. Эти смещения должны иметь малую амплитуду, поскольку Вселенная была очень гладкой в то время. Фактически они составляют около 1 часи на 100,000, и это то, что привело к анизотропии температуры на больших угловых масштабах микроволнового неба.

Вы только-что вновь открыли "Эффект Захса-Вольфа"! Если бы Вы написали об этом до 1967г, быть может, его назвали бы в в честь Вас!

Я запутался в расчетах среднего y-искажения, обусловленного скоплениями галактик ... (сильно сокращено)

Прислал sum"AT"rri.res.in 4/00

Это достаточно технический вопрос о деталях, но позвольте мне ответить на него здесь общими словами.

Так называемый "y"-параметр является числом, которое говорит Вам об отклонении от истиной формы черного тела в спектре микроволнового фона. На некотором уровне мы в конечном итоге ожидаем обнаружить, что микроволновый фон не является точным абсолютно черным телом. И, разумеется, мы знаем, что микроволновые фотоны могли немного менять свою энергию, когда проходили мимо горячих электронов, проносясь через скопления галактик. Поэтому общий эффект этого, усредненный по всему небу даст небольшое (но в конечном счете измеримое) отклонение от черного тела.

Этот обмен энергией с горячим газом скоплений обычно называют эффектом Сюняева-Зельдовича, в честь двух советских теоретиков, которые впервые описали эффект вблизи 1970г. Идея состоит в том, что при рохождении фотонов через горячий газ скопления, некоторая их доля рассеивается на электронах, получая в этом процессе некоторую энергию. Поэтому когда Вы смотрите на реликтовый фон сквозь богатое скопление галактик, Вы должны видеть небольшое изменение в спектре, в том смысле, что существуют фотоны со слегка меньшей энергией и слегка большей энергией, чем должно быть для формы спектра абсолютно черного тела. Отклонение измеряется параметром, названным "y" Сюняевым и Зельдовичем (которые вывели соответствующее выражение для формы отклонения). Этот эффект Сюняева-Зельдовича теперь обнаружен у десятков отдельных скоплений, а изучение эффекта дает ценную информацию о самих скоплениях.

Дело в том, что мы знаем, что там существует множество скоплений, и потому мы можем мысленно сложить все y-отклонения и усреднить их по всему небу. Это дает величину, которая обычно по меньшей мере в 10 раз меньше пределов, которые эксеримент FIRAS на COBE дает для таких отклонений от черного тела.

Вместо измерения самого среднего y-параметра, мы видимо узнаем больше об этом посредством все более глубокого исследования эффекта Сюняева-Зельдовича на индивидуальных скоплениях галактик, а также на более мелких группах, волокнах и других структурах, заполненных горячим газом.

Сейчас я читаю статью, в которой дается теория, альтернативная стандартной модели, объясняющей микроволновый фон, наблюдаемое красное смещение, пропорциональное расстоянию и "отсутствие материи"... автор утверждает, что существует двухатомный водород, который ранее не наблюдался ... (сокращено)

Прислал gazic_miles"AT"si.com 5/00

Я всецело за оспаривание здравого смысла. Однако люди, которые так делают, должны провести значительные исследования и получить свои факты, прежде чем их начнут воспринимать серьезно. Существует множество примеров изменения научных парадигм, которые, однако, произошли путем тщательного изучения несколькими независимыми экспертами. Я не знаю о каком-либо важном изменении научного мышления, которое произошло бы в результате того, что в общем-то непрофессионал пришел к какой-либо неопределенной идее. Нельзя сказать, что это невозможно, однако необходимо очень много узнать, прежде чем Вы сможете реально убедительно аргументировать что-либо. Также как я не должен ожидать, что меня воспримут слишком серьезно, если я начну обсуждать особенности законодательства в помещении суда, кто-либо, кто не провел годы, изучая физику, матемаику и астрономию не должен ожидать, что его воспримут слишком серьезно, когда он рассуждает о космологии.

OK, теперь, когда я достал это из своего сундука, позвольте мне ответить на Ваш вопрос!

Много раз предполагалось, что где-то может существовать большее количество молекулярного водорода, чем ожидалось Его и в самом деле трудно обнаружить (хотя, ни в коей степени совсем невзможно), особенно если облака большие. Проводились серьезные исследования возможности того, что такие облака холодного молекулярного водорода могут вносить некоторый вклад в темную материю на периферии галактик. Однако, хотя Вы и можете спрятать много водорода таким путем, он вряд ли составит большую долю темной материи, или полной массы Вселенной, например. Существует ряд совершенно определенных ограничений на это. Поэтому разумная точка зрения состоит в том, что там может существовать больше молекулярного водорода, но не так много, чтобы существенно повлиять на общую массу Вселенной.

Вы продолжаете в своем полном вопросе рассуждать, что Вы не поддерживаете детали этой идеи H₂-объяснения всего. И я полностью согласен! Я вообще не понимаю идеи, что молекулярный водород может привести к наблюдаемым красным смещениям далеких галактик. Скорость света при прохождении через облако молекулярного водорода будет меняться совершенно незначительно, поэтому, если вообще существует эфект, он невероятно мал. Разумеется, не существует способа создать фактор красного смещения величиной 5, что сейчас наблюдается. Я также недоумеваю, как же молекулярный водород может дать спектр черного тела, а не спектр с линиями поглощения или испускания молекулярного водорода, на уровне, который сможет быть легко обнаружен.

В стандартной модели, Вселенная становится нейтральной примерно через 300,000 лет после Большого взрыва. Впоследствии образуется небольшое кличество молекулярного водорода (посредством реакций, включающих редкие H^- ионы). Когда собрались облака материи под действием собственной гравитации и стали плотнее (на их пути к образования звезд и галактик) тогда реакции с участием 3-частиц и более сложные процессы привели к образованию больших количеств H₂. Этот молекулярный водород возможно важен для высвобождения внутренней энергии из этих скоплений, по мере того как они все больше охлаждаются и становятся достаточно плотными, чтобы превратиться в звезды и т.д. Предполагается, что молекулярный водород таким способом играл важную роль в образовании первых объектов, которые осветили Вселенную много миллиардов лет назад.

У H₂ итак захватывающая история, даже без необходимости пытаться объяснить темную материю, микроволновый фон, и, по-видимому, Гамма-вспышки, происхождение жизни, НЛО, Лицо на Марсе И Лох-Несское чудовище!

Очень хотел бы знать, что находится на Ваших страничках. К сожалению, фон делает их прочтение почти невозможным.

Прислал DRidge"AT"aol.com 6/00

Это проблема некоторых комбинаций компьютеров и браузеров. Говоря честно, страницы, которые трудно прочесть, являются наименее интересными! Вы всегда можете выключить графику в своих настройках или установить более читаемый шрифт. Другими словами, Вы можете попытаться выключить фон в интернет, хотя Вы и не можете сделать это с Космическим микроволновым фоном!

Когда комната пуста, и вокруг тихо, существует высокочастотный звук, звенящий в ушах. Не от Большого ли он взрыва? Если нет, то что его вызывает?

Прислал theodorus"AT"mad.scientist.com 7/00

Ваши уши, разумеется, не способны обнаружить Космический микроволновый фон. Иногда звук используют в качестве аналогии этого излучения, оставшегося от Большого взрыва - не микроволновый фон подобен радиоволнам, а не звуковым волнам.

Поэтому нет, это не то, что Вы слышите. Предположительно, это что-то физеологическое, имеющее отношение к системе кровообращения Вашего собственного слуха, или что-то вроде этого. Хотя снег, который Вы видите, когда настраиваете свой телевизор между каналами, частично является вызванным микроволновым фоном. Но вы не можете принимаь телевидение или радио просто своими ушами. Или, по меньшей мере, большинство из нас не могут!

Если Вы услышите также и голоса, не пишите мне!

Можно ли из космического излучения извлекать энергию, подобно тому как с гальванической ячейкой и видимым светом?

Прислал enriqueromero"AT"infovia.hn 7/00

К сожалению нет. На одном уровне это противоречит законам термодинамики, поскольку напоминает "тепловую ванну", заполняющую всю Вселенную с температурой около 2.73 Кельвина - поэтому вам нужен "тепловой двигатель" холоднее, чем это, чтобы извлечь энергию! В любом случае, с практической точки зрения, энергия в единице объема микроволнового фона очень мала с точки зрения обычных стандартов - поэтому оно может пропитывать всё не оказывая практически никакого воздействия.

Объясните, как закон Вина можно использовать для доказывания, что микроволновое излучение было в прошлом горячее? Какие это аргументы.

Прислал ksawano"AT"indiana.edu 5/00

Закон Вина является свойством абсолютно черных тел (например идеальных поглотителей или источников излучения), который гласит, что длина волны максимума излучения обратно пропорциональна температуре. Максимум реликтового фона насположен на длине волны около 1 милиметра и имеет температуру около 3 Кельвинов. Что-либо в 10 раз более горячее, чем реликтовый фон имеет максимум на длине волны в 10 раз меньше. Мы нагреты примерно до 300 Кельвинов (примерно комнатная температура) и наше личное свечение имеет максимум на длине волны примерно в 100 раз короче, чем реликтовый фон, что находится в середине инфракрасного диапазона.

Нет способа доказать на основе закона Вина, что Вселенная была горячее. Излучение около 3 Кельвинов, которое мы видим, могло образоваться поблизости с этой температурой, или оно могло прийти из более ранних времен, смещенное в красную область по пути к нам через Вселенную, и стать наблюдаемым, будучи пропорционально холоднее, чем когда оно было излучено. Мы думаем что это и случилось, поскольку не существует другого способа произвести так много энергии, во всех направлениях, с такой совершенной чернотельной формой его спектра.

В стандартной космологической картине реликтовые фотоны последний раз рассеялись на материи во Вселенной через примерно пол миллиона лет после Большого взрыва. В это время температура излучения составляла около 3000 Кельвинов. Фотоны сместились в красную область с тех пор примерно в 1000 раз. Применив закон Вина Вы, таким образом, можете видеть, что реликтовые фотоны, с их длинами волн, растянутыми в 1000 раз, будут выглядеть как черное тело с температурой примерно в 1000 раз меньше, или примерно 3 Кельвина. Это факт, что Вселенная расширяется (со свободно движущимися фотонами, длина волны которых в этом процессе растягивается), что доказывает, что Вселенная должна была быть горячее в прошлом.

Если мы предположим, что Большой взрыв начался с единственной точки и был началом всей материи во Вселенной, тогда как Вы считаете, что микроволновый фон может быть равномерно везде во Вселенной?

Существуют более подобные ответы на этот вопрос выше. Короткий ответ состоит в том, что Вселенная действительно могла начаться в точке, но эта точка была везде! Если бы Вы могли заглянуть в прошое в самое начало истории Вселенной (а Вы почти можете сделать это, используя реликтовый фон), тогда Вы бы увидели это начало во всех направлениях. Другими словами, мы видим микроволновое излучение, приходящее отовсюду вокруг нас, и всё оно произошло в очень ранней Вселенной.

Поскольку реликтовое излучение может двигаться лишь со скоростью света, существуют ли части этой бесконечной Вселенной, в которых пока нет реликтового излучения, и даже Галактик? Если так, то станет ли реликтовый фон со временем распределен так, что его невозможно будет измерить?

Ответ похож на ответ на предыдущий вопрос. Вселенная заполнена микроволновым излучением. Фотоны движутся во всех направлениях со скоростью света, и каждая область Вселенной продолжает быть наполнена этими фотонами. По мере расширения Вселенной излучение охлаждается, и будет оставаться обнаружимым, фактически вечно, при условии, что Вы можете представить себе создание всё более чувствительных детекторов.

Я видел в новостях репортаж об "облаке, настолько холодном, что оно поглощает 3K реликтовый фон". Может ли это быть неправильным пониманием эффекта Сюняева-Зельдовича?

звучит как хороший вывод.

Очень трудно стать холоднее микроволнового фона, поскольку он пронизывает всё. Вы можете построить холодильник, который является одним из самых холодных мест во Вселенной на короткое время (например болометры, используемые в качестве детекторов микроволнового фона часто охлаждают примерно до 0.1 Кельвина). Но чтобы сделать это нужна энергия, и Вы не можете хранить такие микроволновые фотоны вечно! Другими словами объект не станет самопроизвольно охлаждаться сильнее, чем его окружение, что является формулировкой второго закона термодинамики.

Существует ряд исключений из этого правила. Одно состоит в расширяющейся Вселенной в ранние (но не слишком ранние) времена. После того как материя и излучение разделились, но до того, как материя была снова нагрета влиянием первых звезд и т.д., она охлаждалась быстрее, чем излучение. Поэтому возможно было время в истории Вселенной, когда материя (особо разреженная часть) охладилась даже ниже 1 Кельвина. Однако, как только зажглись звезды, квазары и галактики, материя очень быстро нагрелась до температур намного выше микроволнового фона.

Другим исключением являются очень плотные молекулярные облака. Отношение заселенностей уровней энергии зависит от величины, обычно называемой "температурой возбуждения". Она может отличаться от "действительной" температуры материала (обычно называемой "кинетической температурой"). Для некоторых переходов (например у формальдегида) возможно, что эти температуры возбждения будут ниже, чем у микроволнового фона. Следовательно, время от времени можно наблюдать линии поглощения в спектре микроволнового фона.

В так называемом эффекте Сюняева-зельдовича фотоны, путешествующие через горячий газ в скоплениях галактик, получают энергию. Это означает, что фотоны действительно извлекаются из нижнего по энергии участка спектра и смещаются в высоко энергичному концу. Поэтому если Вы начинаете с чернотельного спектра, то закончите с относительно меньшим количеством фотонов низкой энергии и относительно большим количеством фотонов с большей энергией. Поскольку этот эффект очень легко обнаруживается при низких энергиях (с помощью радиотелескопов), то обнаруживается, когда Вы смотрите через скопление галактик "уменьшение" в микроволновом фоне. Если говорить небрежно, то можно описать это как более холодный реликтовый фон. Поэтому так можно объяснить то, что Вы видели.

Я так понял уравнения Планка, что микроволновый фон соответствует атомам водорода, движущимся в межгалактическом прространстве со вредней скоростью до 250 метров в секунду.... [сокращено]

Я не проследил Вашу логику в подробностях. но одно могу сказать: частицы, из которых состоит микроволновый фон, и которые детектировались миллиардами в бесчисленых экспериментах, являются, разумеется, фотонами, а не какими-либо атомами. Вы можете считать, что эти фотоны были излучены некой материей, находящейся в чрезвычайно хорошем тепловом равновесии одно время. Это очень трудно организовать в нынешние времена, с материей близкой к 3 Кельвинам, и совершенно просто организовать с материей в очень ранние времена с гораздо большими температурами. По пути к нам фотоны сместились в красную область, с сохранением их близкого к идеальному "чернотельного" спектра, но с сильно сниженной температурой.

Imagining that it is a recent source of hydrogen atoms (for example) which somehow emitted the CMB photons, is an easily discounted idea. Hydrogen atoms would lead to detectable spectral lines if they existed in the required abundance, and there's also the source of the energy to explain (which is very large). More feasible would be particles of dust absorbing starlight, being heated to about 3 Kelvin, and and re-radiating the energy at microwave wavelengths. Attempts were made to model such partciles, but there are several objections. One is that there would have to be so much dust that you wouldn't be able to see distant galaxies! The second is that it seems to be impossible to invent a particular composition for the dust grains that can give nearly as good a blackbody spectrum as is observed. Hence we are left with the only viable solution: the CMB photons have a genuinely cosmic origin, and are a remnant of a hot early phase of the Universe.

1) The sun is known to produce 'solar wind' in significant amounts with enough radial velocity for the particles (mostly hydrogen atoms) to escape the gravity well of the sun and have some velocity left over. 2) Since the sun is not all that unusual as stars go, we can reasonably expect that lots of other stars are doing the same thing. 3) Adding 1) & 2) together and integrating over cosmologically long periods of time equates to a significant amount of 'stuff' in interstellar/intergalactic space. 4) Each of these particles is what Planck would refer to in his equations as an 'ideal radiator.' 5) These particles readily exchange quanta of energy back and forth between photons of microwave radiation and kinetic energy. 6) This pretty much defines the possibility of equilibrium; lots of time and ready exchange. Where are there observations which disprove this development? [сокращено]

This is a follow-up to the previous e-mail. I think I now understand the thrust of the question: could interstellar hydrogen be the source of the CMB?

Such ideas were certainly considered in the early history of the CMB. But it became clear fairly early on that it's impossible to have such a local source. Let me just mention a few things. One immediate problem is the isotropy: there's lots of gas in the disk of our Galaxy (and other spiral galaxies), and so we would expect to see a lot more radiation coming from the Galactic plane, and from nearby galaxies if that was the source. The second basic problem is getting the spectrum to be so close to a blackbody, and this applies for almost any material you can think of. There are several difficulties with the idea of hydrogen gas in particular. There's no reason for the gas within our Galaxy to be all at the same temperature, since the sources of heating (presumably stars etc.) vary dramatically from one part of the Galaxy to another. And hydrogen will always give a line spectrum, either absorption lines or emission lines, and that's true whether the hydrogen is mainly atomic or mainly molecular. You can look, for example, for absorption of local hydrogen in the spectrum of a distant object (like a quasar) to estimate how much hydrogen there might be in the outer regions of galaxies, for example, and you find that the answer is not very much. And it's hard to imagine that hydrogen gas distributed around our Galaxy would give anything like a blackbody spectrum.

The two basic facts about the CMB, that it is very close to isotropic, and that it is a very precise blackbody, are the things which make it very hard to explain through any local process. Hence we are led to look for a source which exists uniformly in all directions and which was in extraordinarily good thermal equilibrium. The hot Big Bang idea for the early history of the Universe makes it easy to produce the Cosmic Microwave Background which we observe.

For more discussion of this and related topics you could try to track down "The case for the relativistic hot big bang cosmology", by Peebles, Schramm, Kron & Turner, 1991, Nature, volume 532, pages 769-776. One of the most detailed studies of the failure to fit the CMB with re-radiated starlight is "Needling the Universe", by Hawkins & Wright, 1988, Astrophysical Journal, volume 324, pages 46-59.

I have recently been told about something called a "monoblock" which is supposed to have something to do with CMB and the big bang. In all my readings of the big bang and CMB I have never heard of a "monoblock" before. Can you help?

Let me not pretend that I am an expert on experimental hardware! However, I believe a monoblock is a particular sort of amplifier. It is entirely possible that Penzias & Wilson used such a thing as part of their equipment which was used to detect the CMB in 1965. Can anyone else verify this?

Assumptions: From most points in the universe, one will measure a CMBR dipole. Thus, one would have to accelerate to attain a frame of reference "at rest" relative to the CMBR. Questions: Having attained that "rest frame", would one not have to accelerate constantly to stay at rest (to counter attraction of all the mass scattered around the universe)? [сокращено]

I think the assumption is wrong, and therefore the question doesn't need to be asked.

The fact that there's a CMB dipole (one side of the sky hotter and the other side colder than the average) tells us that we are moving at a certain speed in a certain direction with respect to the "preferred" reference frame (i.e. the one in which there is no observed dipole). To get ourselves into this dipole-free frame we just have to move with a velocity which cancels out the dipole-producing velocity. There's no need to accelerate (accept the rapid acceleration you'd need to do to change velocity of course).

Our local motion (which makes us move relative to the "CMB frame" and hence gives us a dipole to observe) is caused by nearby clusters and superclusters of galaxies pulling us around. It's true that over cosmological timescales these objects are also moving. And so if we wanted to keep ourselves always in the dipole-free frame we'd have to make small adjustments to our velocity as we moved and got pulled around by different objects. But these changes would be on roughly billion year timescales. And so to get into the frame with no CMB dipole basically just requires the following 3 steps: (1) observe today's dipole; (2) move towards the coldest direction at just the right speed to cancel the dipole; and (3) maintain basically that same velocity forever.

Why is the peak of the spectrum in the Microwave part of the spectrum? Is it because the univers was "Hot" when created, so radiated mostly in the IR, and has now cooled, so radiates mostly in the microwave.

In the very early Universe things were so hot that the average photon was in the gamma-ray part of the spectrum - so much, much hotter than the infrared! It has been getting cooler and cooler as the Universe expands. Given a particualr energy density in radiation at a particular time, the temperature of the radiation is specified. The energy density (and hence the temperature) will decrease with time in the expanding Universe.

Since I have answered similar questions before, let me take this opportunity to be a little more philosophical about the vale of the CMB temperature (or peak wavelength). You can adopt one of 2 opinions: either the current temperature of the CMB is simply an empirical fact, which begs no explanation; or the fact that the background radiation currently peaks at microwave wavelengths is because we live at a particular time in the history of a universe in which there is a particular amount of radiation content. In principle one can then search for explanations for why the contents of the Universe had to be the way they are, or perhaps why we have to find ourselves living at this particular epoch. This would be an example of a so-called "anthropic" argument for the value of a particular quantity, in this case the CMB temperature. But I'm aware of no very strong argument for the current CMB temperature to be spcified at all precisely. So I'm inclined to view the CMB temperature (for now at least) as just a number to be determined by experiment.

I would like to include the "Sound" of the CMB in my talk ... I was wondering if you had such a sound or know where I could get it.

I've answered a very similar question before. I know that one could do this in principle, although it's not clear to me that much would be achieved by playing such a sound (since you'd have to cheat in order to do this, converting electromagnetic waves to sound waves and taking liberties with the wavelengths or frequencies!). However, if anyone does know of some web-site where you can obtain such a thing, then I'd be happy to hear about it, and re-consider whether it's worthwhile after listening to the noise!

... I remember when introduced to the idea of the photoelectric effect and the idea of photons as discrete packets of energy ... I could visulaize them also as little wavy worms or wavelets. Apparently you shouldn't think of photons as being like wavelets with a sort of certain total length... Could you please tell me what your own visualization of a photon is? (сокращено)

Прислал biggriff"AT"biggriff.screaming.net 12/00

This is a good question, and obviously applies to all photons, not just the CMB ones.

Quantum mechanics is the theory we have to describe the behaviour of particles and fields, and the way things are on very small length scales. It is an astonishingly successful theory, and correctly accounts for an enormous number of otherwise inexplicable experimental facts. However, what quantum mechanics teaches us is that photons can be thought of as both waves and particles. This is very different from your everyday experience of sound or ripples on water (which behave like waves) and things like bowling balls or marbles (which behave like particles). On the microscopic scale things can have both particle and wave properties. Since you've never lived at the quantum scale, then there's no reason to expect that you should be able to conjure up a good mental picture for something which is both a wave and a particle.

So my answer is that I think of photons either as particles (when the particle properties are most important) or as waves (when the wave properties are most important), and I try not to think about these at the same time, because it makes my brain hurt!

If the universe in fact originated from the big bang, wouldn't ... we be at one end ... couldn't the most distant object/galaxy/quasar we see belong to that opposite end? wouldn't all of the CMB have passed us long before?

Прислал manoj.vishnubotia-eds"AT"eds.com 12/00

I get questions similar to this one all the time!

Let me make 2 points. Firstly, this Big Bang business is genuinely difficult to get your head round! Secondly, the name "Big Bang" is not the best, since it conjures up, for many people, the image of a localised explosion in space.

In fact the whole Universe is expanding, and as far as we know it is infinite in volume. So you have to try to think of the Universe beginning in a state in which everything was very much closer together, but it was still infinite! Then it all started expanding at once. We see the CMB photons coming to us from a sphere around us which is roughly the light travel distance in the age of the Universe (i.e. something like 13 billion light years) - but the rest of the Universe (that we haven't been able to see yet) is much bigger than that!

While we're talking about mental images, the best one for this purpose is to think of the Big Bang as being located on a distant sphere all around us. This is, in some sense, the opposite of the picture that many people have, and I believe this is the source of much of the confusion.

I need to know the frequency of the cmbr in mhz or hz ect. Or maybe Find the formula to convert K. to rf scales.

Прислал richard"AT"mcsnc.net 12/00

The CMB is a "blackbody" spectrum, which is the characteristic spectrum that you get from a body which is in equilibrium at a particular temperature. This spectrum is a broad one, and so the CMB is bright over a range of frequencies. So there isn't a single value of frequency of the cosmic microwaves.

However, for a typical CMB photon you can certainly calculate a rough proportionality between temperature and frequency. The average CMB photon has energy kT (where k is "Boltzmann's constant" and T is the CMB temperature), which is also h &nu (where h is "Planck's constant" and &nu is the frequency). You can use this to work out the approximate relationship between the typical CMB photon's frequency and the temperature. To calculate a more precise number, you could consider the frequency at which the the CMB spectrum has its peak intensity. Calculating the explicit value at the intensity peak of the CMB spectrum yields a frequency of 160.2 GHz for a temperature of 2.725 Kelvin.

How would the explosion of a major planet in our own solar system effect the CMB?

Прислал rboufford"AT"hotmail.com 1/01

Gosh, I've never thought about planet's exploding! I can't see that this has anything much to do with the CMB, which is much more "cosmic" than the mere explosion of a ball of rock and gas. Perhaps you are thinking of a method of forming the CMB in the solar system (an idea which certainly doesn't work, for a number of reasons)? In any case, if one of the solar system planets did somehow explode, then the radiation would be at much shorter wavelengths than microwaves, and hence it would still probably be easy to detect the CMB.

But in fact there's little chance of any planets blowing up. Collisions between minor bodies and planets are relatively frequent (on astronomical timescales at least), but it's extremely unlikely that a collision would happen with enough kinetic energy to really explode a planet. Such major collisions were part of the process that formed the planets from a bunch of smaller bodies, about 4.5 billion years ago. On the other hand the radiation that we see today as the CMB originated about 3 times longer ago than that, in the hot early phase of the whole Universe.

Do astronomers view a universe of discrete sources of electromagnetic radiation such as galaxies, stars, gas clouds, etc. ... Do these discrete sources radiate with the Planck distribution until 2.7K is reached when further cooling stops, and the sources become part of the 2.7K sink - the blackbody radiation temperature of the universe.

Прислал henry"AT"govital.net 1/01

If I correctly interpret this question as "what happens to an object like a star when it cools down to the CMB temperature?", then that's a pretty good question! So hoping that this is the gist of what was being asked, let me attempt an answer.

Let us focus on white dwarfs, as a concrete example. They are the end points of the evolution of stars much like the Sun, when they have exhausted their supply of nuclear fuel (and are quite close to being "ideal radiators" or "blackbodies"). A white dwarf begins as a very small (about the size of the Earth) and hot (maybe 100,000 Kelvin) lump of matter. It then cools, with no appreciable sources of energy except its heat content. Over the age of the Universe the coolest white dwarfs are now maybe 2000 Kelvin. So they've cooled down a lot, but are still pretty hot by terrestrial standards. If we were to wait trillions more years they would eventually approach the temperature of the background of the Universe (actually lower than 2.7 kelvin by that time, because the Universe would have expanded more). The white dwarf would be unable to cool any further, because it is in a "heat bath" provided by the microwave background.

Let me add that there's no way that zillions of already cool white dwarfs could explain the CMB, because there would have to be an incredibly large number of them, and we would see all sorts of related effects. There's also no way to get white dwarfs to cool down so much in only about 15 billion years.

Many astrophysicists have speculated about the last phases in the evolution of stars, and how this relates to the rest of the evolving Universe. The most thorough paper on this subject is by Fred Adams & Gregory Laughlin, "A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects", which you can get here. It's quite technical in places, but will give you a flavour of some of these fascinating ideas.

Откуда приходит фоновое излучение?

Прислал JJWALTER"AT"shrewsbury.org.uk 2/01

Отовсюду!

Why is it significant that the data for the CMB shows nearly a perfect blackbody curve? How does that help prove that the Big Bang is the accepted beginning of the universe?

Прислал d-davidson2"AT"northwestern.edu 2/01

The main points are: (1) the CMB appears to come from all directions and is therefore "cosmic"; (2) is it's hard to make a really good blackbody spectrum from the emission of some relatively local (e.g. cold dust in the intergalactic medium) material; (3) it's easy to make a blackbody in the early Universe, since the timescale for reaching thermal equilibrium was once very short. Hence we have to conclude that the only reasonable source of all this radiation, with such a perfect blackbody spectrum, is a hot early phase in the history of the Universe - i.e. the Big Bang model.

It's worth adding that we don't know what the "beginning of the universe" was. The hot Big Bang model is the picture in which the Universe was once very much hotter and denser and has been expanding and cooling. Exactly what happenened to start it all off is actually outside the Big Bang model, and is yet to be determined. Most cosmologists wish that the "Big Bang model" had a more accurate name!

Can you to tell me if it is possible to tune a short wave radio, let say in a deep forest far from electromagnetic parasites, to get a clear "sound" of the CMB?

Прислалveau"AT"MathAppl.PolyMtl.Ca 2/01

Certainly it's possible in principle to build your own radio telescope to detect the CMB. The problem is that it's quite hard to tell that you're detecting the CMB itself and not some other source of "noise". It's not that your telescope and detector system has to be very efficient (since the CMB is in fact quite bright), but that you have to be able to confidently estimate the amount of "noise" which is coming only from the distant sky. Various electronic and other effects in your detector, thermal emission from your equipment, the atmosphere, and other sources of terrestrial radio noise will all contribute to a measurement of the "absoloute noise" level that you measure. You need to estimate and subtract all of these before convincing yourself that there's a residual source of "noise" which is the CMB.

While it's not impossible, I suspect that it's an ambitious task for a home-made radio telescope. However, I'd be delighted to be proved wrong, and for someone to describe to me a cheap and reliable method of detecting the CMB in your own back yard!

How is it calculated the reduction of temperature in function of the expansion of the universe? Are we sure that, during the expansion, equilibrium is always assured as needed to get the spectrum of a black body?

Submitted ulbusi"AT"tiscalinet.it 2/01

This is a very good question, which I believe I haven't answered before!

The temperature is related to expansion very simply: there is a function (usually called the "scale factor") which determines how distances are changing in the expanding Universe. The temperature is just inversely proportional to this function. It turns out that if we use redshift (usually denoted z) as a way of measuring times back into the past (z=0 is today, and increasing redshifts are earlier in the history of the Universe), then T(1+z).

It's relatively easy to show that in the expnading Universe the background radiation retains its equilibrium (blackbody) spectrum. So a hot blackbody of several thousand Kelvin at high redshift is seen as the much cooler CMB (and still blackbody) today.

How come radiation "cools off" instead of retaining a constant wavelength?

Submitted plotinus"AT"otenet.gr 2/01

You can think of this just like any other form of slow expansion of a gas. Expansion acts to cool a gas, which is for example, the principle on which refrigerators work. Physicists refer to this as "adiabatic expansion". You can think of the CMB as a gas of photons, adiabatically expanding through the Hubble expansion of the Universe. This photon gas loses energy. And since the energy of a photon is inversely proportional to wavelength (Planck's law), then the wavelength increases as the Universe expands.

Another way to think about this is just that the wavelengths of the photons stretch along with all the other distances - the interpretation of cosmological redshift is just that when the photons left their source, distances were proportionally smaller, and the wavelengths got stretched (i.e. redshifted) on their way to us.

I know the GZK limit is supposed to limit the energy of the cosmic radiation incident on Earth to under 10 to 20 eV or so. It has to do with special relativity and CMB. But that is all I know about it. Could you explain what it is, or point me to papers/references that can.

Submitted kelleigh"AT"look.ca 2/01

The "GZK cut-off" or "GZK limit" is an effect on high energy cosmic rays due to the possibility of scattering off CMB photons. GZK stands for Greisen-Zatespin-Kusmin, who pointed out the effect in papers in 1966. The idea is that the highest energy Cosmic Rays (let's abbreviate to CRs) are moving so fast that in their rest-frame the CMB photons are extremely high energy. Most Cosmic Rays are simply protons, i.e. the nuclei of hydrogen atoms. If so, then there's the possibility of conversion of the pair of particles (CMB photon plus CR proton) into a pair of other light particles, like pions. Calculations show that what you need is for the energy of the CMB photon plus the Cosmic Ray to be bigger than the rest mass energy of a couple of pions, in the centre of momentum frame, which effectively happens when (E_CMB × E_CR)^1/2 = 2m_pionc². There are so many CMB photons that CR's with the highest measured energies (above 10²⁰eV) can't get very far in the Universe, and so the energy spectrum of CRs should be heavily attentuated above these energies.

That there are detectable CRs above the GZK cut-off (found using detectors which measure showers of particles casued by these CRs hitting the upper atmosphere) is one of the big mysteries in present-day astrophysics. Scientists are currently divided about whether or not this mystery can be resolved with known physical effects, or whether it needs some whole new physics concept.

There's a lot of information available on the web on ths topic. You could try searching for "cosmic rays", "ultra high energy" and "GZK", but a good place to start might be http://www.cosmic-ray.org/

Why don't we see cosmic background radiation well into wavelengths longer than microwave? I understand the concept of "last-scattering surface" and its relevance to why we don't see *shorter* cosmic background wavelengths, but I don't understand why we shouldn't also "see" longer wavelength remnants of an even younger, more redshifted universe.

Прислал bozone"AT"ripco.net 4/01

Remember that the photons are red-shifting on their way to us. In principle we can't tell the difference between photons emitted very early, which have redshifted a lot, and photons emitted later, which haven't redshifted so much. The early Universe is hotter and hotter. And this is balanced exactly by the redshift factor.

The "last-scattering surface" is not the time when the radiation formed, just when it last interacted strongly with matter. At that time they were redshifted by about a factor of 1000, and at a temperature of about 3000 Kelvin. But before that they would have been at 30,000 Kelvin, and redshifted by a factor of 10,000 on their way to us. And before that they would have been at 3000,000 Kelvin, and redshifted by a factor of 100,000. Etc.

Is there any way to be sure that the CMB fills the entire universe? Isnt it possible that it only exists around certain entities (perhaps it only exists around Earth, for that matter)?

Прислал whitetrash_01"AT"hotmail.com 4/01

Obviously we only have direct information about CMB photons which have arrived at detectors right here on Earth. But they had to come from somewhere at the speed of light! Since they're observed to come from all directions, then everywhere in the Universe seems likely to be filled with these things. The only way to avoid that conclusion would be to have all the photons aimed at us, and that puts us in a very special position indeed! That would contradict the observation of zilllions of galaxies in the Universe, which show that our local part of space isn't much different from any other.

There are also some fairly direct ways of showing that the CMB photons exist elsewhere. One way is to find the effect on the CMB of the photons having changed their energies a little as they travel through the hot gas in a cluster of galaxies. This effect has been measured for many distant galaxy clusters, indicating that the CMB photons have to be coming from at least as far away as those objects.

The observation of structures (anisotropy) on the CMB sky is also good evidence for a Universe filled with CMB photons. That's because the size distribution of the structures on the CMB sky has turned out to be just like you'd predict in the hot Big Bang model, where the CMB photons are in fact left over from a much hotter early phase of the history of the Universe.

Since the CMB is microwave radiation it must travel at the speed of light, or 300,000 km/sec. Question: in what direction is it traveling? Any radiation with which I am familiar it has a source and hence a direction of propagation. Do these terms have any meaning re the CMB?

Прислал DDKavanagh"AT"aol.com 4/01

The best way to think about this is that the CMB is emitted from everywhere in the early Universe, travelling in all directions (and don't make the mistake of thinking of the early Universe as smaller, since that will give you entirey the wrong mental picture!). We see the CMB photons coming at us from different parts of the early Universe, in all directions around us. In other words there's a sphere around us giving the location of the places where the photons came from. And from the locations on that sphere we only see those photons travelling in our direction. But there's nothing special about where we are, since other observers would think about their own (different) sphere, and detect photons coming from other places, or some of the same places but in different directions.

So the photons are indeed travelling at the speed of light. But they have no special direction in which they travel. They are emitted in all directions (like the Sun, or a round light-bulb) by matter in the early Universe, which was everywhere!

Who discovered the CMB anisotropy?

Прислал bowenj01"AT"hotmail.com 5/01

The detection of CMB anisotropy was announced by the COsmic Background Explorer (COBE) team in 1992. Other experimental groups had data at the time which contained weak anisotropy signals. The measurements are sufficiently hardthat all the experiments up until COBE had quoted their results as upper limits. It required the robustness of a careful year-long set of space-based data before anyone could be confident of detection of the anisotropy. COBE was a huge team effort, with the Principle Investigator of the relevant instrument (the DMR) being George Smoot. The first person to have convincingly demonstrated that anisotropy existed in the data was probably Ned Wright. Many other scientists, engineers and support staff were involved in the effort, and it was the quality of the COBE data that enabled the discovery to be made.

has any one considered (even though I can't fathom its existance) this dark energy/matter fluctuation as the source of the CMB and could it be possible that this "exotic" phenomenon only causes photon radiation at the microwave energies observed?

Прислал wjw"AT"bellsouth.net 5/01

I haven't seen any suggestion along those lines.

To be honest though, there's no real motivation for looking for such an explanation. The CMB makes lots of sense as the remnant of the earlier hot stage of the expanding Universe. So if you want to think of some source which avoids the hot Big Bang idea, then you throw away a lot of other things too. In particular most of the evidence for dark energy (although not dark matter, for which there is good evidence on relatively local scales) is in the context of the Big Bang picture. Without that picture it's unclear what you do with the expansion of the Universe, the dimming of supernovae, the angular scale of CMB ansiotropies, and many other empirical observations.

CMB photons originates with the Big Bang. At the time of CMB creation the universe was relatively small. CMB radiation is now received from all directions. How is this possible, as radiation is now received from points in space at which no material (particles and anti-particles) existed during the time of the Big Bang?

Прислал chris.ungerer"AT"quintiles.com 6/01

Let me try to answer by disecting your question.

"CMB photons originates with the Big Bang" - this is more or less true. Actually there are photons existing quite early on, and the ones we see were effectively created about a year after the beginning. But that's pretty short on a cosmological timescale!

"At the time of CMB creation the universe was relatively small" - this is the main source of difficulty. The Universe wasn't smaller. It was still big enough that considering it to be infinite is a pretty good approximation! It's just that things used to be closer together.

"CMB radiation is now received from all directions" - true, and it's almost the same brightness in every direction.

"radiation is now received from points at which no material existed during the Big Bang" - this isn't true (see above). However, I think what you might be getting close to here is what cosmologists refer to as the "Horizon Problem". This is the realization that as the Universe gets older, the region over which light can have travelled gets bigger. No physical process that we know about can operate faster than the speed of light, and so this light travel distance is the largest scale over which anything can have had an effect on anything else. This now corresponds to the most distant objects we can see. But the problem is thast this distance used to be much smaller. So when the CMB photons were produced one part of the sky that we see wasn't in contact with another. And then it's mysterious that the CMB temperature "knows" to be the same over the whole sky. How come?

The most popular answer is that the Universe once underwent very rapid expansion, so that the distance over which things could affect each other grew tremendously huge. Then our whole observable volume is within a region that was once in contact with the whole of itself. Ths idea is called "inflation" and is one of the most promising ideas for understanding what might have happened in the very very early history of the Universe.

I hope the summary of a non-expanding universe attached, will hold enough interest for you to include in your extensive coverage of the CMB. All the requiredments for standing waves seem to be present here as well as the characteristics of the electromagnetic waves in the 2.7K CMB. [сокращено]

Прислал henry"AT"govital.net 8/01

I don't understand what you mean by the CMB being "standing waves", a topic I addressed elsewhere on this page. Experimentally the CMB consists of radiation travelling at the speed of light, and observable in every direction.

Evidence that the Universe is expanding has been rather compelling since it was discovered by Hubble in the 1920s. Some other ideas to explain the measured redshifts of distant objects have been proposed over the intervening decades, but all have long since fallen by the wayside. The "Hubble diagram" (recession velocity versus independently estimated distance) now extends over about two orders of magnitude greater distances than probed by Hubble.

The main reason to believe that the Universe is genuinely expanding is that by making this assumption you build a self-consistent picture for understanding distant objects, and that no observation has turned up to contradict that picture. There is now a huge set of inter-related cosmological phenomena which make sense within the expanding Universe paradigm.

But if you don't like the argument of interleaved self-consistency, there's also direct observational evidence for expansion through measurements of the CMB temperature at high redshift. The technique is to use intensities of atomic lines in the spectra of distant objects to infer the CMB temperature long ago when all distances in the Universe were smaller. The results are that the temperature of the CMB is higher in the past, just as it should be if the Universe is expanding.

Does the CMB create a universal rest frame? i.e., by using the redshift of the CMB can we determine our motion with respect to the "rest frame of the universe"? What about special relativity?

Прислал saul"AT"excite.com 9/01

I'm sure I've answered this before, but it's a good question!

Yes, the CMB defines a rest frame, and we can determine our motion relative to that frame.

There are two answers to the special relativity part of this question: (1) the Universe is described by General Relativity, which applies for accelerated frames as well as inertial ones, so there's no reason to expect special relativity to hold; (2) the only problem in Relativity would be in having a frame which is special for the laws of Physics, and the CMB rest frame isn't any more special than other frames in that regard.

i have tried to understand it, but i am so confused since there are so many different things about cosmic radiation from hps or books. i think every book is talking different things, i cannot make a conclusion. can u give me some hints about how to summarize those points? [сокращено]

Прислал skchan3"AT"csis.hku.hk 10/01

This is another question which (a) appears to be asking me to do homework for someone! and (b) is confused about the difference between the CMB and Cosmic Rays (both of which might be called "Cosmic Radiation").

In fact I received this email 3 separate times. So let me answer as follows: Cosmic Cosmic Cosmic Rays Rays Rays and and and the the the CMB CMB CMB are are are different different different things things things entirely entirely entirely. Three of them are high energy partcles from space, while the other three are low energy photons from the early Universe!

If the Universe was much smaller when it became transparent, the matter that forms our galaxy today was much closer to the last-scattering surface. So how it comes that the CMB photons are reaching us only today? How did we move faster than these photons that they are reaching us now?

Прислал thalesc"AT"uol.com.br 10/01

The Universe was not much smaller in the past! The Universe is expanding (we know that empirically), so that everything was closer together in the past. But the Universe should not be thought of as a finite-sized object embedded in space (the Universe is space!). Infinity is a tricky concept to grasp - but if the Universe is infinite in size, then it was infinite before, it's just that everything used to be closer together. So there are always places which were far enough away from us at the time of last scattering that their photons are just reaching us now.

This question probably represents the single greatest difficulty people have in trying to understand the expanding Universe. I think if you start by erasing the notion that the Universe used to be smaller, then you go a long way towards sorting this out. But let me not pretend that it's easy to grasp the notion of an infinite space which is expanding!

The concept of an infinite and expanding Universe is not that hard to understand. However, it's hard to conciliate with the notion that the Universe is limited in terms of energy/matter, _if_ this notion is indeed correct. [сокращено]

Прислал thalesc"AT"uol.com.br 10/01

The energy density of normal matter, dark matter and dark energy (or vacuum energy if you like) are all finite. In other words the energy per unit volume is a measurable thing, and indeed that's the quantity that cosmologists are trying precisely to measure for each of those 3 cosmic components.

But if the Universe is truly infinite in volume, then the total energy content would presumably be infinite too! Out to the edge of the observable part of the Universe (where light can have travelled in the age of the Universe) it's perfectly finite of course. But in principle one imagines an infinite amount more of the same out there!

Do I understand properly that up until the universe was 300000 years old, matter was all so hot that it was emitting high-energy radiation, and that this radiation is what we now call the CMB?

Прислал Bore"AT"BoringSoftware.com 10/01

That's an easy one! YES!

I hate to ask it again ... but why hasn't the CMB all gone "past" us yet? My mental picture is that all matter in the universe stopped radiating this energy at some point. I don't have a clue how "large" the universe would have been at that point, but I'm assuming less than a billion light years in diameter. So if those photons have been traveling for (conservatively) almost 12 billion years, it seems to me they would have crossed the entire universe to somewhere else by now. [сокращено]

Прислал Bore"AT"BoringSoftware.com 10/01

This is harder to answer. I know this, since I've tried to answer it as carefully as I can several times before. Some concepts are genuinely difficlut to grasp, and this seems to be one of them. So please bear with me here.

The trick, I think, is to stop picturing the Universe as finite. The photons would sort of pass everything if the Universe was a little lump of stuff embedded in empty space. But the Universe is everything remember. Assuming it's infinite (or at least big enough that we've only seen a very small part so far), then there's plenty of parts of the Universe which were far enough away during the early phases of the "Big Bang" that their photons haven't reached us yet. The CMB photons that we do see today are those that originated the speed of light times the age of the Universe (roughly) away from us. Tomorrow we'll see those that originated one light day farther away from us, and so on.

Can I get the sound of the CMB? [сокращено]

Прислал dsal1111"AT"netzero.net 10/01

I already discussed that above. The short answer is that it's not a "sound", but in principle you could use some artistic license to convert the electromagnetic "blackbody" spectrum to a spectrum of sound waves.

Let me know if you manage to find or make such a recording yourself. I'd also like to get a copy!

I am an artist and am in need of a sound recording of galactic background radiation for an installation I am working on.

Прислал michael_wynne"AT"yahoo.com 11/01

I've answered similar questions above, but this is slightly different.

When we look for detailed information about the CMB, anything that gets in the way can confuse the picture, and we refer to those confusing signals as `foregrounds'. One obvious foreground is emission from our own Galaxy, the Milky Way. This gives particularly strong signals in the plane of the Milky Way, and fairly negligible signals when we point well away from the plane.

The signals themselves can be measured with a radio telescope, and in fact the radio hiss from the Galaxy was the first astronomical signal measured on Earth (apart from emission from the Sun). So the signal is pretty strong.

Radio signals are fluctuation electric and magnetic fields travelling through space. They are not sound waves. However, if you wanted to represent the radio wavelengths as sound wavelengths, you could certainly do that. So there's nothing to stop you putting the spectrum of the Galaxy through a speaker. You might have to fiddle the wavelength scale a bit to get sound waves in the best range for the human ear. But since this is for fun, you get to use that artistic licence!

At least the signals from the Galaxy will be more interesting than just the CMB! The CMB is so nearly a "blackbody" spectrum that there wouldn't be much in the way of interest in the noise it makes! "Hearing" the sound of a radio telescope scanning across the plane of the Galaxy could be quite intriguing though. Particularly if you heard the odd pulsar, since those actually pulse in time and so would give some added variation.

One artist who has been specialising in music inspired by "astronomical noise" is Fiorella Terenzi. Her web page is here.

Follow-up

Что случится, когда температура реликтового фона достигнет 0.00 градусов Кельвина? Будет ли это сигналом окончания расширения Вселенной?

Прислал bfayeh"AT"msn.com 12/01

В некотором смысле Вы правы. Хотя, конечно, Вселеная никогда не станет совершенно абсолютным нулем. Она просто будет становиться все холоднее и холоднее и холоднее. Она достигнет нулевой температуры лишь если время достигнет бесконечности.

Если во Вселенной доинирует "Темная энергия" и сегодня она ускоряется (как считают ныне многие космологи), тогда температура будет снижаться экспоненциально быстро. Другими словами, в некоторой точке, когда температура станет, скажем, 0.001 Кельвина, тогда если Вы подождете некотоое количество времени, она станет 0.0001, а если Вы подождете в два раза дольше, она станет уже лишь 0.00001, и так далее. Таким образом, температура будет становиться в одно и то же количество раз меньше за фиксированные интервалы времени. Однако все же потребуется бесконечное количество времени, чтобы пройти весь путь до нуля.

Хотя задолго до того, как реликтовый фон достигнет нуля Кельвинов, любой инструмент, какой Вы можете себе представить, не сможет зафиксировать этот фон. И, вообще говоря, Вселенная должна стать совершенно пустым и скучным для Вас местом!

Модель Большого взрыва неверна, поскольку у нее очень интересная нумерология! sin 60^o x SQRT(10) = 2.738, что согласуется с ошибкой измерения температуры реликтового фона в Кельвинах. [вопрос сокращен]

Прислал orlandodelavega"AT"terra.es 12/01

нумерология не слишком мощна, если не существует некоего физического объяснения скырвающегося за ней. Вы можете взглянуть на мои собственные нумерологические идеи по вычисленнию температуры реликтового фона тут.

и между прочим, лучшее измерение температуры реликтового фона на сегодня это 2.725 Кельвина.

Если я нахожусь внутри коммерческого авиалайнера, и все пассажиры закрыли свои иллюминаторы, так, что я не могу видеть что-либо за пределами воздушного судна, могу я определить скорость самолета относительно реликтового излучения?

Прислал dellaenterprises"AT"prodigy.net 12/01

Если Вы действительно не можете видеть из самолета, ни в микроволновом ни в видимом диапазоне, тогда Вы не сможете определить.

Поэтому, чтобы всё упростить, давайте предположим, что Вы находитесь где-то в открытом космосе в ракете, и Вы хотели бы знать свое "абсолютное" движение относительно реликтового фона. Тогда все. что Вам нужно сделать, это построить эксперимент по картированию реликтового фона и карту всего неба (некотрой его доли, или даже нескольких точек достаточно). Тогда Вы сможете сказать что Вы путешествуете в направлени, в котором небо видится самым горячим, и от того направления, которое выглядит самым холодным. А скорость определяется просто по амплитуде температурной разницы, которую Вы наблюдаете (поскольку доля скорости света равна доле амплитуды изменения температуры).

Что в конечном итоге произойдет с реликтовым фоном? То есть, реликтовые фотоны будут растягиваться (охлаждаться) до микроволнового уровня в данный момент. Что случиться когда пройдут миллиарды лет? Станет ли реликтовое микроволновое излучение в конечном итоге "Космическим радиоволновым фоном", а затем "Космическим (что ниже, чем радиоволны?) фоном?"

Прислал rreeves"AT"winfirst.com 1/02

Совершенно верно!

Наилучшие из имеющихся моделей описывают Вселенную, расширяющуюся вечно. В этом случае фотоны реликтового излучения будут растягиваться все больше и больше, поэтому у них будет все меньше и меньше энергии и и мы будем измерять все более низкую температуру. Нет предела того, насколько низкой мжет быть энергия радиовол - поэтому после появления Космического радио фона будет более холодный Космический радиофон навсегда!

...I began to wonder if this stuff might still be around. (A proton/negative-muon pair, or muon/negative muon pair has such a high ionization energy, ~ 2.81 keV, it would be hard to crack.) So I did a rough calculation of where the 21.1 cm hydrogen line would be shifted when the electron is replaced by a muon (m ~ 105.6 MeV) to get 0.1 cm or about 294 GHz. ... Then I came to your site, and found the peak is rather near your CMB peak. All of the curve would be identical, just the coefficient would be based on the muon mass rather than the electron mass.

Прислал Director"AT"TheInternetFoundation.Org 12/01

This is rather an interesting idea, but as far as I can make out there are a number or rather fatal flaws!

Firstly, as you point out yourself, muons are very unstable, so there's no reason to believe there are any left from the early Universe.

Secondly, if the CMB arises from line emission from material distributed through space, then it must be emitting through being excited by some local process. And then you'd expect to see quite different brightnesses in different directions, depending on the local conditions etc.

Thirdly, if it's a line emitting process, then there's no reason to expect anything like a "blackbody" shape for the spectrum. The natural line-width will be negligible, so the breadth of the spectrum needs to produced by local effects like velocities or something. Again you'd expect this to vary with position. And it wouldn't give a nice blackbody spectrum.

On the other hand, in the conventional picture there were lots of primordial muons and anti-muons at early times in the history of the Universe. But they annihilated when the temperature was roughly equal to their rest mass. In fact a significant fraction of the CMB photons were created in this annihilation. And so there certainly is a connection between the CMB and muons.

If the universe was far smaller then and everything closer together, and if nothing can move faster than the speed of light, why has the light taken 14bn years to get here? Wouldn't it have overtaken us on the way out?

Прислал themanwhogrowstrees"AT"yahoo.co.uk 1/02

Это очень хороший вопрос, and probably the most common question asked about the CMB (phrased in one form or another). You can find longer answers by searching on this page. But the short answer is that the first statement you make in your question is incorrect!

Что такое Космическое микроволновое фоновое излучение??

Прислал sworku"AT"sympatico.ca 1/02

Достаточно странно, что никто не задавал этот вопрос до сих пор!

за подробностями Вы с можете перейти на страничку вопросов основного уровня.

здесь же, позвольте мне сказать, что это очень холодное свечение, котрое пронизывает Вселенную, и дает нам некоторое представление об очень горячей ранней эпохе космической истории.

Почему в реликтовом спектре нет артефактов от поглощения/испускания фотонов ранним водородом или гелием, скажем от того периода, когда температура была 8000 K?

Прислал j.cotter"AT"unsw.edu.au 2/02

Это действительно прекрасный вопрос!

Мы полагаем, что спектр реликтового излучения действительно содержит отклонения от чистого излучения абсолютно черного тела, возникшие из-за взаимодействий водорода и гелия. Но они имеют настолько низкий уровень, и расположены в настолько низком по энергии хвосте спектра, что это невероятно трудно представить, как Вы могли бы обнаружить такой сигнал.

По существу каждый атом водорода или гелия испускают несколько фотонов с определенной энергией, когда становятся нейтральными. Они dискажают спектр реликтового фона, создавая маленькие возмущения на форме чернотельного спектра. Но вспомните, что существует около миллиарда реликтовых фотонов на каждый атом Вселенной. Поэтому искажение в спектре совершенно ничтожное. Оно также маскируется тем, что оно в основном расположено в дальней инфракрасной области спектра, где оно залито сигналами от нашей собственной Галактики и излучением от других галактик.

Было бы действительно круто обнаружить эти ухабы, поскольку тогда мы бы имели абсолютно чугунное доказательство того, что Вселенная проходила от ионизированного к нейтральному состоянию. И если бы Вы смогли когда-либо изучить эти ухабы тщательно, то Вы могли бы точно узнать, как проходил этот процесс.

What effect does starlight - normal star photon radiation -(not cosmic particle radiation, not the cosmic wind )- have on the CMB? ... would that CMB temperature increase be due to scattering from electromagnetic interaction with star photon radiation? [сокращено]

Прислал rreeves"AT"winfirst.com 2/02

Signals from stars and galaxies, dust, gas clouds, etc. affect observations of the CMB, but have quite different spectra. So they can be distinguished and removed. CMB people talk about the need for removing "foreground" emission so they can cleanly get at the background signal.

But these radiations don't affect the actual CMB photons themselves. The interaction rate for a starlight photon to interact with the CMB is incredibly small. So your average photon from the Sun, say, will travel across the whole observable Universe without interacting with a CMB photon. This means that the "foreground" signals simply add to the CMB signal, with no complicated interaction effects.

Where goes the energy of a red Doppler-shifted photon when it arrives at a receding destination?

Прислал j.cotter"AT"unsw.edu.au 2/02

Actually this is just a more sophiticated version of the question "where does the energy of a redshifting CMB photon go as the Universe expands?"

The answer is, in a sense, that it goes into the expansion of the Universe.

My question is about the following quote from your website: ". That radiation cooled and is now at 2.7 Kelvin. " What do you mean? Do you mean it red-shifted? Do you mean it actually cooled.

Прислал glenstaples"AT"shaw.ca 2/02

That's the same thing!

An expanding gas cools. In just the same way, an expanding "gas" of radiation cools. You can also think of each photon being redshifted and so having a lower energy when you observe it than it did when it was emitted. So in an expanding universe we see the hot radiation from early times as cool radiation today.

if looking into the microwave while it's turned on (ie. microwaving food), has negative affects on people, health wise?

Прислал msoczewinska"AT"email.com 3/02

There are many sites where you can look up information on microwave ovens. And this isn't one of them!

The short answer is of course "no". The mesh around the oven prevents almost all the microwaves leaking out, and there's a mechanism to prevent it being on with the door open.

Besides which, only strong doses of microwaves are harmful. We know this because we're bathed in Cosmic Microwaves all the time!

How effectively is microwave radiation absorbed by rocks (silicates)?

Прислал ray"AT"bisque.com 3/02

No idea! (see answer to the above question, and several others here).

Although I do know that it would be a poor experimental design for a CMB experiment to build it underground!

How many CMB photons are there in the visible universe?

Прислал j.cotter"AT"unsw.edu.au 3/02

The radius of the observable Universe is about 10,000 Megaparsec (or about 3 × 10²⁶ metres). And the shape is just a sphere with us at the centre. The CMB contains about 400 photons per cm³. You can work it out for youself!

How does the vacuum energy density relate to the cosmic microwave background energy density?

Прислал ogressel"AT"uoguelph.ca 3/02

There's no direct relationship between them.

Interms of the contribution to the critical energy denisty required to make the geometry of the Universe "flat", vacuum energy is believed to contribute about 2/3, while the CMB contributes about 0.005 of a percent.

It's important to realise though, that in an expanding universe, the vacuum energy has only been dominant at relatively recent times. And that if you go back early enough the radiation dominates over regular matter too. So the early Universe was the domain of radiation, but its time is long over. Fortunately the CMB still retains some information about those early epochs.

I don't quite understand why the temperature of the microwave radiation would be 2.73. where does this number come from?

Прислал slmcph"AT"mta.ca 3/02

The number comes from direct measurement of the distribution of energies of the CMB photons. That distribution follows precisely what you expect from something at a single temperature (a lot of photons at some characteristic energy, with the numbers falling off in a known way at both high and low energies, and this characteristic energy tells you the temperature).

It's purely an emprical number. There's no obvious way of determining what the CMB temperature should be - you just have to measure it!

Was the CMB created when energetic photons ionized the neutral hydrogen atoms that originally filled the universe or not?

Прислал weberma"AT"w.imap.itd.umich.edu 4/02

No.

The CMB photons were created at a much earlier time, when the Universe was very very hot. There are about a billion photons in the Universe for every hydrogen atom. So when the Universe cooled enough for the hydrogen to become neutral, there was a tiny little extra bit of the CMB created, it's true, but it was only about a billionth of the CMB as a whole!

How do we know that the early universe was a blackbody? If CMB is our best shot at proving the big bang, presumably we assume that the blackbody spectrum observed is what you would expect from an exploding blackbody?

Прислал anne.laking"AT"bbc.co.uk 4/02

What we know is that the spectrum of the CMB today is extremely close to blackbody in shape. And that in an expanding medium the blackbody spectrum retains its shape exactly. The peak wavelength increases as the medium expands, but the shape remains the same. Plus, we also know that the Universe is expanding.

So if the CMB has a blackbody spectrum now, then it has retained that spectral shape from early times. It used to be hotter, but still a blackbody.

We can estimate what must have been going on at very early times, using what we know about nuclear and particle physics. It turns out that the interactions among particles were sufficiently rapid that all the constiuents of the Universe must have been in very good thermal equilibrium. In other words the spectrum starts out as a blackbody. Or to turn it on its head, the fact that its a blackbody today is most easily explained in a picture where the Universe used to be very much hotter and denser.

We don't know precisely what started the Universe off, or what it's state was in the first zillionth of a second. But as far as the CMB is concerned, the observed blackbody nature, together with the observed expansion of the Universe, means that we know the Universe was once very much hotter and denser. What started the Big Bang is still a mystery, but we have a pretty good idea of what the Universe has been up to since then!

I wonder if you can tell me if there are some mailing lists on Cosmology and CMB, I suppose there must be at least one. I'd like to be a member if there is one (or more !). Is there any newsgroup too ?

Прислал ss5946"AT"garnet.acns.fsu.edu 5/02

I'm not aware of any email distribution list for people interested in Cosmology and/or the CMB. You could always start one of course! But I suspect most people are like me, and don't really want more email! So probably what you are looking for is a discussion group, and obviously there's nothing stopping you setting up a "cosmic chat-room" if one doesn't exist already. Does anyone know of one?

As far as newsgroups go, the closest thing is sci.astro and sci.space.science.

Would it be possible to detect spectral lines in the CMB? Sometime in the early universe, the CMB would have been CLB (Cosmic Light Background), and many elements and chemical compounds have spectral absorbtion (or emmission) lines in or around the wavelengths we associate with light. I take it these spectral absorbtion lines would be stretched along with the radiation itself, and would be still detectable.

Прислал Ralph.Newnam"AT"sunrise.net 5/02

This is an excellent question!

The basic answer is that it's possible, although very difficult to detect such lines. And since the early Universe consists almost entirely of hydrogen and helium, then those are the only elements which are feasible. One can calculate the spectrum of hydrogen and helium lines produced as the Universe became neutral. However, the thing to bear in mind is that there are about a billion CMB photons for every proton in the Universe - so the lines are incredibly weak! On top of that they're also quite broad, making them even harder to detect. However, the lines are a very definite prediction of the hot Big Bang picture, and so unless it is prohibitively difficult (because of contamination by nearby material for example) presumably one day they will be detected.

I understand the logic in saying that CMB must have come from a nearly perfect black body, but where did they get the initial temperature? The temperature currently quoted is 2.73 K. How do they work back to show that this 2.73K came from something so much hotter?

Прислал Richard.Kingsley"AT"wtel.tdsb.on.ca 7/02

The present-day temperature of the CMB is about 2.7 Kelvin, i.e. less than 3 degrees above absolute zero.

One fact that we've known about the Universe since the 1920s is that it's expanding. Radiation in an expanding medium cools (just like the gases used to provide the cooling in some refrigeration systems). So in the distant past, when everything in the Universe was much closer together, the CMB radiation must have been very much hotter. Another way to think of this is that the wavelengths of the CMB photons just expand along with everything else in the expanding Universe, and longer wavelengths mean lower energy photons and hence cooler radiation.

Once you accept that the Universe is expanding (and so when you run backwards in time everything is denser and hotter), then you can ask about the origin of the CMB radiation. It turns out that in a hot dense radiation-filled universe, the time for the radiation to reach equilibrium is very much shorter than the time the Universe takes to expand a significant amount. So this early Universe radiation would be predicted to have been in very good thermal equilibrium. And that means that we should observe it to have very close to a blackbody spectrum.

So the blackbody nature of the CMB (together with the expansion implied by the redshifts of distant galaxies) points towards the Universe once being very much hotter and denser than it is now.

[сокращено] what frequency corresponds to this temp. of 2.7 K - 163 Ghz?

Прислал glennmr2002"AT"hotmail.com 7/02

The CMB has a blackbody spectrum. That means that the photons have a distribution of frequencies of a well known shape, having a characteristic frequency. So there is no specific frequency corresponding to the CMB temperature. The answer will depend on whether you want the average frequency of all the CMB radiation, or the frequency where intensity per unit frequency peaks, or intensity per unit wavelength, or whatever.

The intensity per unit frequency quantity peaks at about 160 GHz for a 2.725 Kelvin blackbody.

I'm having a little trouble with the idea of warming a (near) vacuum by irradiating it with infrared radiation. [сокращено]

Прислал nibblett"AT"juno.com 10/02

The CMB consists of a "gas" of photons moving at the speed of light, not a regular gas of atoms or molecules. So the thing that's at 2.725 Kelvin is the photons and not the diffuse material in space. What this means is that it's extremely hard to imagine any matter in the Universe being colder than this (since it's being exposed to this "bath" of photons), but it's easy for matter to be much hotter, because of other local processes (like hot stars, explosions, etc.).

Initially I hope I am right in saying the universe was a plasma and photons exchanged energy between the charged particles. Then protons and neutrons started forming atoms and the photons become trasparent if you like. Is this not a violation of the laws of entropy as the universe wants to become more and more disordered where as in this case there seems to be a decrease in entropy.

Прислал colesthemonkeyman"AT"hotmail.com 11/02

There is no decrease in entropy. As you say, the second law of thermodynamics seems to be quite fundamental, and tells us that entropy can never decrease. When considering the whole Universe, one normally thinks about quantities per unit volume as that volume expands. The total density of entropy certainly does not decrease in the expanding universe picture.

The formation of neutral atoms from a plasma is not a process which reduces the total entropy. Entropy doesn't mean "disorder" in a vague sense, but is actually a well defined physical quantity, related to disorder but fully quantifiable. When an electron combines with a proton the total entropy either stays the same or increases. Remember that there's also a photon emitted in this process.

In fact the entropy density in an average part of the Universe is dominated by the entropy in the CMB photons. And conservation of this entropy is actually used to simplify some calculations (which you can find in standard cosmology textbooks). So the second law of thermodynamics is built in to the whole Big Bang picture.

Is it possible that background Radiation is produced by eletron/positron destruction in blackholes and then ejected out.

Прислал Johnnypetra"AT"aol.com 11/02

If you mean "could the CMB be produced through evaporation of some local black holes", then no that isn't possible.

If there were lots of small black holes around and they were evaporating, then they'd give off high energy gamma-rays. Larger black holes which emit microwaves would be far too weak. Or you'd need them to be filling the Universe, and so they'd be obvious in other ways. And there's no way of getting an accurately thermal spectrum which is the same in every direction.

However, there is some aspect of truth in what you suggest. We believe that the CMB photons came from a time in which the photons were in equilibrium with the other particles in the early Universe. And extra photons were added to the background when most of the electrons and positrons annihilated (somewhere around a second after the Big Bang).

It's also possible to have exotic things happen in the very early Universe which could also add to today's observed CMB. Anything you do before a time of about 1 year tends to get thermalised (i.e. looks like a blackbody spectrum even if it started off completely different). So if you imagined some black holes decaying at early times and giving lots of gamma-rays, then if it happened early enough it would be hard to tell.

The background radiation is energy of course -- and it is everywhere, presumably filling the universe, as you say. Energy and matter are equivalent in some sense. Is the mass of this energy taken into account in determinations if the universe will forever expand or will someday collapse?

Прислал Arsen"AT"marketsize.com 11/02

Yes it is, but it doesn't make much difference. The models used are done within the framework of General Relativity, which includes all the ideas of Special Relativity, e.g. the equivalence of mass and energy.

The mass-equivalent density of the CMB is about 10,000 times smaller today than the amount of matter inferred from observations. So it has very little effect on the expansion of the Universe.

However, the siutation was very different in the earlier history of the Universe. Radiation energy density increases faster than the energy-equivalent density of matter as you go back in time in an expanding Universe (essentially because the energy of the photons also increases, while the mass of matter stays the same). So radiation dominates the early evolution of the Universe.

What are the steps that allow a conversion of 3 degrees K to 7.3 cm. = wavelength and then to 4080mc/s? Also, what is mc/s?

Прислал rsplan"AT"sbcglobal.net 11/02

There are similar questions answered elsewhere on this page. So let me give you a short reply.

The energy of a photon is Boltzmann's constant times temperature (actually the average is a numerical factor times that, since for a given temperature there are photons of a range of energies, distributed according to the blackbody spectrum). The energy of a photon is also Planck's constant times the frequency. Equating these means that you can convert a temperature into a frequency (and wavelength is then just the speed of light divided by the frequency).

All you have to do is look up Boltzmann's constant, Planck's constant and the speed of light in whatever units you want to use. I personally prefer to stick to SI units, but that's a matter of taste. I believe that "c/s" probably refers to "cycles per second", but I don't see how you can get near 7cm, since the CMB peaks at millimetres rather than centimetres. [Note added later: it has been pointed out to me by res04047"AT"verizon.net that these numbers probably come from Penzias and Wilson's original CMB measurement, which observed at a single frequency well below where the CMB spectrum peaks, namely about 4.1GHz or 7.3cm wavelength.]

If you want to be numerically accurate you also have to be careful to define exactly what you mean when you get a wavelength from the temperature. You'll get slightly different answers depending on whether you are thinking of the average photon energy, or about the peak of the spectrum measured in intensity per unit wavelength, and another answer for the peak measured in intensity per unit frequency.

Considering the CMB exists... is it possible to trace back and find the spot in the universe where the big bang actually took place? Or would this give a directionality to the universe, which it does or does not have? Or ... is there a spot in the universe today where we can say the initial event occured ?

Прислал drogovitz"AT"cox.net 12/02

There is no centre of the Universe! Or, more accurately, everywhere is the centre! If you run the clock backwards in time, the Universe contracts, so that (at least in principle) everywhere was in the same place at the beginning.

The CMB photons are travelling in all directions from the material in the early Universe, and everyone detects the ones which are reaching them at the moment (by definition of course!). These come from all directions, and so contain no useful information about any part of the Universe being particularly special.

OK, you wondered if any interested surfers (i.e. Physics 11 only) wanted to think of reasons why the temperature of CMB is -270.425° Celsius. Did the frequency of the radiation just find a happy medium so to speak? An equilibrium? [сокращено]

Прислал nutroman"AT"hotmail.com 12/02

Good idea! Except that the temperature of the CMB keeps dropping as the Universe expands. So there's no reason (as far as we know) why the CMB temperature should have its particular value that we measure today. It will keep continue to drop, so that, for example, when the Universe has expanded by another factor of 2, the CMB temperature will be half of what it is today.

How does a 3000 degree K gas have enough energy to keep hydrogen and helium ionized? ... I get something like 32,000 degrees K to keep hydrogen ionized. [сокращено]

Прислал wrx"AT"mail.cruzio.com 12/02

This is a good question! If you go through the calculation you find that the temperature required to ionize hydrogen is at least an order of magnitude higher than that. But the ionization happens through interaction with the CMB, and there are about a billion photons per hydrogen atom! So this is very different from your mental image of heating up a box full of hydrogen atoms in the lab.

A more accurate calculation comes from estimating the temperature at which about a billionth of the photons have enough energy to ionize hydrogen. That obviously needs a temperature which is a lot lower, and much closer to the right answer.

To get precisely the correct value, you need to consider all the processes occurring between the levels in the hydrogen atom and the CMB photons. These calculations are very tedious (I know, since I've done some of them!), but give an answer which is about 40 times lower than you would have naively thought.

If you're really interested in some of the details you can read our short paper astro-ph/9909275. I won't even mention the longer paper!

Why are photons 'free' after recombination? Isn't the universe still pretty dense? Is there some sort of 'electronic cross-section' that makes ions fat targets for photons and neutral atoms 'invisible'?

Прислал wrx"AT"mail.cruzio.com 12/02

Yes, that's pretty much right! Except that it's the free electrons that are the big cross-section targets for the CMB photons.

at the time of big-bang the matter and energy burst out from the singularity simultaneously.Since the radiation has got the speed of light,it might have passed the matter just after the big-bang (matter cant travel as fast as light).then how we are able to collect the radiation from all the direction-with almost same intensity? [сокращено]

Прислал sreenath_sc"AT"rediffmail.com 2/03

The term "Big Bang" is considered inappropriate by many cosmologists, because it conjures up entirely the wrong picture of the first instants of the Universe. The "Big Bang" was not an explosion of the Universe into something, but an expansion of the whole of space. It's better to think of this happening everywhere at once, rather than at a point in space. That at least might help you sort out why there are CMB photons coming at us today from all directions.

My big problem with MBR are the words: Afterglow, remnant, and similar ones. How can photons, traveling outwards from the big-bang one millimeter center of explosion be seen today? [сокращено]

Прислал amrespi2000"AT"yahoo.es 2/03

You should see the rest of this page for more complete answers to this question. It is a very good question, and probably the most asked one about the CMB!

The short answer is that your pcture of the Big Bang being a localised explosion is wrong. The Big Bang happened everywhere at once in a Universe which is in principle infinite. So we see CMB photons as the "afterglow" of the early hot phase of distant parts of the Universe.

The real problem is with the terms "Big Bang" and "explosion", which should be removed from all descriptions of the early Universe!

[сокращено] All the papers speak of photons as if they were "there", waiting to be seen and cooling with the space dilatation. But photons are not "there". They are travelling either outwards or, if the universe is closed, along the surface. The big problem is to explain what are we seen when we see the MBR.

Прислал amrespi2000"AT"yahoo.es 2/03

The idea is that photons are travelling at the speed of light from the early times when they were emitted (by the hot Universe then). The ones which we detect here and now were emitted billions of years ago, at positions which are billions of light years away from us. While they travelled through the expanding Universe they cooled, so that today they are detected as microwaves.

Like many other questions about the CMB photons, the trick is to get the right picture in your head, and then things should become much clearer. Don't picture the photons originating in a finite region within a much larger Universe. Instead imagine an arbitrarily large Universe, with the photons emitted from everywhere.

What I don't understand is why we should still be seeing this radiation at all. It should have left at the speed of light. Expansion of the universe notwithstanding, shouldn't it have passed us up by now?

Прислал Steven.Bailey"AT"bakerhughes.com 2/03

This is another example of essentially the same question that I feel like I've answered a million times before! Does anyone read any of these other answers?

I don't mean to suggest that this isn't a very good question. It may be that I just haven't yet come up with a devastatingly clear answer. I am convinced that the reason people ask this question is because they have the wrong picture in their head for what the Big Bang is about, and where the CMB photons come from (not from an isolated region in the early Universe anyway). However, I suspect that different people have slightly different ideas, and so it may be that no single answer will help everyone out.

I'd be interested to know which of the various responses on this page you might find the most helpful in answering variants of this question! I can post your reply here.

Some friends and I had discussed a question you addressed several times in your FAQ. If Cosmic Background Radiation began at a point and was as a relatively short flash of light, finite in duration, shouldn't there be an end to the light we see now?

Прислал lee"AT"mighdoll.net 3/03

It's nice to get someone e-mailing me an answer for a change! Here's the rest of this message, which is a pretty good explanation of why the CMB photons haven't all passed us by now:

"I think I get it now. The answer, as I understand it, is that the Universe was infinite in size when the flash went off."

"The point source is a misconception, confusing at best. The universe was once smaller, but we were always inside of it. Also, the radiation is now observed from all directions more or less equally, not from one direction as one might expect if our region of space was somehow to one side of the bang."

"As each region of the universe became transparent, the flash released from that region was indeed finite in duration. So when we look in one direction, we see a flash from a region that became transparent perhaps 13 billion hears ago. The flash we see from that region will in fact fade out. But just behind that region is a second region, and behind the second region is a third region, etc. And so if the Universe is infinite, we'll never run out cosmic background radiation."

You have answered the "why hasn't light passed us up already?" several times. I think the problem is that many other sources (web pages and books) say things like "when the universe was the size of a marble," etc. I did a google search on the phrase "when the universe was the size" and got over a hundred hits. I think all those pages would be more correct to say "when the matter now visible was within a size of..." And I think your answer could say that the CMBR we see today was outside of our observable universe yesterday.

Прислал rberger"AT"enercon.com 5/03

Excellent, thanks!

Let me just say that "the CMBR we see today was outside of our observable universe yesterday".

Essentially all of our information on the early Universe comes from the cosmic microwave background. Why is this radiation so important for these studies, and why can't we use other forms of information (or can we and we just haven't done it yet)?

Прислал gman_nda_gs300"AT"hotmail.com 2/03

The CMB anisotropies (temperature variations from place to place on the microwave sky) contain a great deal of information about out Universe, being basically a snap-shot of variations in density at a time of about 300,000 years after the Big Bang. There is really a lot of useful information to be mined from the CMB, but that doesn't mean there aren't other ways to probe the early Universe.

One example is that the spectrum of the CMB should contain small deviations (so far undetected) which also give us information on times going back to about 1 year. The abundance of the light elements tells us about conditions in the Universe after only about a few minutes. The fact that the Universe contains a preference for matter over anti-matter might tell us about high energy physics at much earlier times. As well as the CMB, clustering of galaxies and other objects can tell us about the types of density variations which existed in the very early Universe. There is some real hope that their may be information there about times as far back as 10^-30 or so seconds!

Does the CMB appear as a hollow 'sphere' around our entire universe? As if our universe is inside this hollow sphere. Or is it everywhere, like water in a fish tank? With our universe as a fish in the tank, And the water is the CMB?

Прислал ABRAMS1117"AT"webtv.net 3/03

The situation is more like the second picture. However, I'm afraid to have to tell you that both sound incorrect to me!

Our Universe is the whole of this sea, and not something embedded in it. You need to (somehow) imagine an infinite ocean, filled with the CMB photons, which were generated everywhere in the ocean at some early time. The Earth is one miniscule little shrimp in this vast ocean. We can only see a finite volume, since the ocean has only existed for a finite time, and light travels at a finite speed. But the entire ocean is so big that we may as well consider it to be infinite.

Is there any thing original to be done on CMB yet? I couldn't find a good topic for my research. [сокращено]

Прислал alencar"AT"ccard.com.br 3/03

That's a good question! Many theorists working on the CMB (myself included) are searching for things to work out which fulfill the following criteria: (1) not already done fully; (2) worthwhile to calculate; and (3) not too difficult!

I have some ideas of my own, but of course I'm not going to tell you what they are!

But seriously, there is still a great deal to be worked out involving the "higher order" effects in the CMB. There are many weak effects of the formation of structure on the CMB, only some of which have been worked out in detail. These involve things like lensing, reionization, galaxy clusters, statistics of the anisotropies, etc. And there are no doubt things like these that we haven't even thought of yet. Good luck!

I keep reading and hearing about the CBR "cooling" to its present microwave frequency, but what does this mean? Cooling usually involves a flow of energy to something or somewhere else or a change of energy to another form (e.g. kinetic to gravitional). As I understand it the CBR photons have not interacted with anything else since they were emitted, but their wavelength has been stretched because of the expansion of spacetime, so their frequency has reduced. So what has happened to the photons' original energy (h times frequency)? Has the conservation of energy been violated? Where did the energy go? (сокращено)

Прислал ianw"AT"netspace.net.au 3/03

This a good question, which is often asked. Let me try to answer it a slightly different way.

All expanding gases lose energy. This is sometimes called "Joule-Kelvin" expansion. Basically, the expanding gas does work, through its pressure acting to change the volume. The energy lost by the gas is exactly equal to the work done in the expansion.

In the cosmological context you can think of the CMB as a gas of photons. This is a relativistic gas, with a different relationship between pressure and volume than the more normal "ideal gas" that people are more used to thinking about. But the principles are the same, and energy is conserved for exactly the same reason. The energy lost by the photons goes into the expansion.

I do not see how the Joule-Kelvin effect is related to the CBR. Wouldn't a photon gas be close to perfect? I believe there is no attractive force between photons (other than gravity) and they have no significant size, so they are not like a van der Waal gas. Is the expansion of the Universe and CBR perhaps more like the free expansion (Joule effect) case? Do the CBR photons perhaps lose energy to self-gravity over eons of time and space, like the reverse of a gas cloud condensing into a star and heating up as the molecules lose gravitational potential energy? If not, what IS the mechanism by which the photons lose energy and lower their frequency? (сокращено)

Прислал ianw"AT"netspace.net.au 4/03

OK, I can see I'm going to have to be more hard-core about my answer here!

The bottom-line is that within the context of the solutions of General Relativity which apply to a smooth expanding Universe, there is local conservation of energy. For any finite volume the energy lost by the photon gas is equal to the "PdV" work of the expansion. Stating that this is like Joule-Kelvin expansion is just an analogy.

There are of course many ways to think about this. In one picture you just imagine that the photons are redshifted by the expansion velocity. So if that helps you, then there's the explanation! However, this isn't really the case in an expanding Universe in General (rather than Special) Relativity. It's better to think of redshift as being caused by the changing scale factor, i.e. photons have longer observed wavelengths than they had when they were emitted because the Universe has been expanding while they travelled towards us.

It's true that normally you would like to think about the physical interactions which change the photon energies. But this isn't a normal everyday situation we're talking about here! The decrease in energy of the photons has nothing to do with interactions with matter, or virtual particles, or even the Doppler effect. It is really a consequence of General Relativity. Photons travelling through an expanding Universe lose energy on their journey between emitter and receiver, without interacting with anything.

(3^3*2^8*pi^3/a^7)^1/2*Qo*([1N]*G/c^4)^1/2*[mol]*NA/N^3)=2.7111K The formula is only a conjecture! But: There is a contribution from the free electron to the CMB and so to the temperature. Tb=2.73K Possible? As well as from other "particles" (universe, electron, hydrogen atom ...) (Qo is the Planck temperature and NA Avogadro's number. N=integer about 1e22 reflects the restmass of the electron.)

Прислал manfred.geilhaupt"AT"fh-niederrhein.de 4/03

Good effort at CMB temperature numerology! However, I'm not sure this is dimensionally correct! And I think that dividing by 10^22 arbitrarily is against the rules! You can see my own attempts at this on my "Who Chose the Temperature?" page.

Since no one knows what the emission spectrum of the spontaneous creation of sub-atomic particles in space would be, isn't it somewhat possible that that's where the CMB comes from?

Прислал Beanstalkr"AT"aol.com 3/03

I'm not sure what exactly you mean by "the spontaneous creation of sub-atomic particles in space", but if you're talking about a "Steady State/ Continuous Creation" sort of picture, then there are many reasons why this doesn't work. Not least of which is the need to explain the power spectrum of CMB anisotropies, which is a stunning confirmation of the standard hot early Universe picture.

But just as there's some truth in the Steady State model (since it's quite like inflation in many ways), there's something in what you say. In the standard cosmological picture the Universe used to be very much hotter and denser, and at early enough times was filled with particle/anti-particle pairs in equilibrium with the radiation. As the Universe cooled most of these annihilated, adding to the photon background. So you can say that most of the CMB photons had their origin in the spontaneous destruction of matter!

if the CMB is cooled by the expansion of the universe, would it not be possible to measure it's temperature very accurately and determine the rate of cooling? [сокращено]

Прислал thxgoon"AT"hotmail.com 4/03

In principle you could certainly do this. Let's imagine you measured the temperature of the CMB today and then waited 10 years and measured it again. Then of course it will be a bit cooler. But by how much? Well the CMB is redshifted by the expansion of the Universe, and the expansion rate is given by the Hubble constant. The Hubble constant is measured to be about 70 km/s/Mpc (kilometres per second per Megaparsec). The Hubble time (one over H₀ in time units) is about 14 billion years. So in 10 years the CMB temperature will have changed by only about one part in a billion! That's pretty hard to measure, and so this method isn't going to be a way to estimate the expansion rate of the Universe.

If the CMB really exists, and therefore the big bang is right and there is no god, why can't I just hold my food (e.g. burritos) up in the air to cook them? Why aren't I getting cooked as we speak.

Прислал ilovecosmology"AT"hotmail.com 4/03

Cosmic microwaves fill the entire Universe. However they're extremely dilute by terrestrial standards. CMB radiation at 2.725 Kelvin corresponds to a flux of approximately 3 × 10^-6 Watts per square metre. So the energy passing through a burrito (depending on how big the burrito is) must be around 10^-7 Watts. On the other hand your microwave oven is an efficient way of converting hundreds of Watts of power into microwaves and directing them at your food. In addition microwave ovens tune their radiation to zap the molecules in your food, whereas the CMB covers a wide range of frequencies.

So you can't cook your food by holding it up in the CMB I'm afraid. I have no opinion on whether or not this proves the non-existence of God though!

Here's a good site which is like the microwave ovens version of this one: Microwave Ovens

Does CMB affect us today at all? If yes, how so?

Прислал orem2"AT"TCNJ.EDU 4/03

No, it doesn't.

The CMB is completely useless. There are no direct applications that I know about, either beneficial or harmful.

Except of course that the anisotropies give us a way of determining exactly what sort of Universe we live in. One of the definitions of Civilisation is a society which places a value on certain things simply for their interest, rather than simply valuing utility. The CMB fits firmly into that category. We stufy it "merely" because understanding the entire Universe is pretty interesting!

If you could please tell me the frequency of the CMB. I think there is a frequency give or take. I'm not concerned with 1/100,000 deviations from average. I just want the average.

Прислал nikrubenstein"AT"hotmail.com 4/03

The CMB is "blackbody radiation" meaning that it is the sort of radition you get from a hot body which has settled down to be at a particular temperature. The energy is spread over a wide range of wavelengths, and the shape of this energy spectrum is described by a specific mathematical formula, which rises as a power of frequency and falls of exponentially at higher frequencies. The spectrum peaks around a frequency of 300GHz, but it's important to realise that the photons have a spread of frequencies around this value, and CMB photons can be detected from hundreds of MHz up to hundreds of GHz.

I got to wondering -- how bright would the night sky be if we could see the micr owave background? Compared, say, to moonlight?

Прислал res04047"AT"verizon.net 5/03

The answer depends on what units you use.

In terms of energy flux, the CMB is fairly similar to starlight within our Galaxy. So if you could see it, and your eyes detected energy flux, then it would be a uniform glow, with individual stars visible on top of it, and the Sun of course very much brighter.

If, on the other hand, you detected number of photons per unit time, then there are a lot more of those than from starlight, and so the CMB would dominate.

You could also easily imagine other sorts of detectors, which effectively work with different units, and would give different answers.

Who discovered the Cosmic Microwave background?

Прислал asim_48"AT"yahoo.com 7/03

The Cosmic Microwave Background was discovered by Arno Penzias and Robert Wilson sometime in 1964 during studies they had been making using a sensitive microwave receiving system at Bell Labs. The results were published in 1965 and the pair received the Nobel Prize in Physics for their discovery in 1978.

Given that all of space expands at the same rate...then spaces that are farther apart from one another expand away from each other faster than spaces that are closer together ... At what distance between points would space expand faster than the speed of light? ... Given the tiny amount of radiation energy that can theoretically emit from black holes as virtual pairs of matter/antimatter as one part of the pair is ejected past the event Horizon, and the other out into space ... Could this show up as a constant background radiation that could be detected from any portion of the sky? [сокращено]

Прислал jjrittenhouse"AT"hotmail.com 7/03

This is a very nice question! And a proper answer would, I fear, be quite long!

Let me say a few short things in response. Firstly, this is not a good explanation for the origin of the CMB in any model that I'm aware of. Seondly, parts of the Universe certainly can expand away from each other faster than the speed of light. And thirdly, your description <>does bear some striking similarities to a picture of how fluctuations are made during a period of inflation - you can kind of think of this as like a temperature that empty space has as a consequence of accelerating, then that temperature is manifested in fluctuations in the relevant fields at the inflationary epoch, which later become the fluctuations in density, which even later get imprinted at last scattering as the CMB anisotropies.

someone is asking me the order of magnitude of the number of real photons there are per meter cube in the CMB. do you have the answer ready or can i work it out from N = sigma T**4/chv where hv is the photon energy at the max of the black body law for T about 3K ?

Прислал 7lucas"AT"fundp.ac.be 8/03

You can get a rough answer from the formula that you wrote down, which will be off by some small factor (depending what you use for the average frequency). The correct answer simply comes from integrating over the blackbody function. The value obtained is about 411 CMB photons per cubic centimetre.

I am confused about the time and distance scales. The wavelength of the CMD is about 1000 times longer than that emitted by a black body at 3,000 K. That part is clear. When I divide the age of the universe, 15 billion years (to use a round number) by the age at last-scattering (300,000 years, the oft quoted number), I get a factor of 50,000. How can the universe be 50,000 times older than it was at time of last scattering, but only 1,000 times larger?

Прислал pbwilson"AT"cox.net 8/03

I'm always happy to get questions which show that people have been thinking!

The answer to your quandary is that the stretching of lengths in the expanding Universe is not at the speed of light. In other words the evolution of the "scale factor" is not proportional to time. This is because of the matter in the Universe which causes deceleration (at least until fairly recent times when it appears the Dark Energy causes it to accelerate). It turns out that for most of the history between now and last scattering (when the CMB photons had their anisotropies imprinted) the scale factor evolved as roughly the 2/3 power of time. So the age ratio is expected to be about the scale factor ratio to the 3/2 power. That's much nearer to the numbers that you were stating. Although to do it properly one needs to solve the detailed equations, taking into account the accelerating phase etc.

The recent results from the WMAP probe included a very precise estimate of the age of the Universe of 13.7 ± 0.2 billion years. I have yet to find a good explanation for how the age of the Universe is derived from the cosmic background radiation patterns that were recorded by WMAP.

Прислал djalbright"AT"generatortech.com 10/03

The WMAP satellite precisely measured theanisotropies over a wide range of angular scales. The way that the amplitudes of the anisotropies vary with angular scale can be fitted using cosmological models. The anisotropies are accurately fit using a model which has come to be known as the "standard cosmological model", with well determined values of its parameters. This model has close to flat geometry, and is dominated by dark energy, with about one third of the Universe's energy density in dark matter and about 4 per cent in ordinary matter. It is expanding at a particular rate, measured to an accuracy of better than 10 per cent, and it contains fluctuations of the sort produced in "inflationary" models of the very early Universe. The age of the Universe is a derived parameter within these models, but it turns out to be quite robust. If you restrict the range of models to just those which have exactly flat geometry, then you get the number you quoted. If you allow more freedom in the models, then you always get pretty much the same number, but with larger undertainty.

You write we see microwave radiation from the last scattering. Let me suppose we are in the Milky Way and we are looking into the last scattering surface A across the sky. "A" was the scattering object farther away 1 million years after BB from the precursor of the Milky Way. 1 million years after the BigBang Milky Way and "A" were X light years apart. At that moment radiation came out of A towards Milky Way. Should it not have gone by by now? How can we still see it?

Прислал tierrasana33"AT"netscape.net 10/03

This is another example of the most asked question about the CMB! "How come the photons haven't already passed us?" has been answered on these pages several times before.

Let me add to this question that if we see "A" in CMB photons today, then it must be the right distance from us so that light would take basically the age of the Universe to travel between us. So the distance "X" is whatever it has to be for us to be receiving the early Universe photons today. For objects closer than this, we are seeing the CMB photons coming from behind them, also distance "X" away.

Right now it is at 2.73 Kelvin. Is it getting cooler? Why do I ask? Because a Stanford PHD student described some work they were doing with extremely low temperatures in the range of .5 Kelvin. He claimed that light sent into chambers at this temperature actually slowed down ... can we look forward to a time in the (far distant) future when the CMB reaches .5 Kelvin and the light between the galaxies actually slows down? [сокращено]

Прислал Michael.bechler"AT"Eclipsys.com 11/03

Yes, the CMB temperature is decreasing, but it takes a cosmologically long time for it to change by much. Basically it takes about the Hubble time to change by order unity, in other words you'd have to wait millions of years to see a change which is very noticeable.

I'm not familiar wth the slow-down effects you describe, but it surely must involve matter at fairly high densities. The speed of light in a vacuum is always, well, the speed of light! It's slower through material, and presumably these people have been investigating some effect where it slows further in matter approaching zero Kelvin. But in the average part of the Universe the density is so extremely low that all such effects will be negligible.

I am just wondering if CMB radiation could be used to determine the outline of a blackhole? Does CMB radiation accumulate in huge quantities within the vicinity of steep gravitational wells? In short, What is the effect of Blackholes on the CMB radiation?

Прислал Michael.bechler"AT"Eclipsys.com 11/03

This is a nice question!

The answer depends on whether you are asking a practical question, or a point of principle.

Practically speaking, the size of a black hole is so small, and they are so far away, that it will surely be next to impossible ever to measure any effects. It is made even harder by the fact that black holes are typically surrounded by accretion disks and other hot matter, which will have a big effect at the wavelengths you'd observe the CMB. In any case, there are way easier ways of detecting black holes!

The question of principle is slightly complicated. The effect will be mainly the gravitational lensing of the CMB by the black hole. But, since this just moves light around, and the CMB is pretty darn uniform, you wouldn't really see any difference! However, you would have an effect on the CMB anisotropies, and this is potentially measureable, just as the lensing effects of galaxy clusters are measureable in the near future (e.g. by the Planck satellite).

I was wondering if you knew how the spectrum Cosmic Microwave Background supported the idea that the Universe expanded from it's inital hot state.

Прислал sogus"AT"email.arizona.edu 11/03

Yes, I do know that!

But presumably you also would like me to tell you the answer, right?

The spectrum is such a good blackbody, that no one has a good idea how to make it except from a hot early phase of the Universe. The "Big Bang" model naturally makes a hot blackbody spectrum early on, and then it just gets redshifted to the present, retaining its shape, but cooling.

Somebody wrote that "most of the entropy of the universe is found in the CMBR"..please explain further. What is Entropy by the way? Is it something tangible, something that could be felt? A force? or a form of Energy?. Could it counter Gravity and Time Reversal?

Прислал fidel_mc"AT"hotmail.com 12/03

Good question!

The answer to the last part is "no". Entropy isn't nearly so mysterious. It's a quantity which describes the degree of disorder in a system. It is a quantity which cannot decrease for a closed system, and which is often constant if physical processes are very slow. For much of the history of the Universe the entropy per unit volume has been constant (provided you take account of the expansion of the Universe).

For a uniform "gas" of particles the amount of entropy can be calculated, and depends on the energy, pressure and temperature. For a gas of normal matter particles the entropy is proportional to the number of particles, N, multiplied by (m c²/kT), where m is the particle mass, c is the speed of light, k is Boltzmann's constant and T is the temperature. However, for a "gas" of photons (or other highly relativistic particles) the entropy is just proportional to N. Since there are a lot of CMB photons, then their entropy density dominates the entropy of the Universe.

When will the photons in this frequency range stop coming? In other words will there ever be a time when no more CMB will be detected?

Прислал retep29805"AT"netzero.com 12/03

As far as we know the CMB photons will keep coming forever!

However, they will continue to redshift, so that billions of years in the future most of them will be at longer wavelengths. Our far-distant descendents will presumably talk about the "Cosmic Radio Background"!

... I am having some difficulty coming to terms with the notion that if the CMB is 15 billion years out, that the big bang is only +300,000 years beyond it, in a universe that is spacially very small... So how is it that after 15 billion years we are being bombarded by big bang radiation on all directions that should have by now accelerated past us, since we are matter originating frrom the same event? [сокращено]

Прислал gterry"AT"au1.ibm.com 12/03

This is, I believe, another example of the "why haven't the CMB photons past us" question. I suggest reading the answers to other similar questions on this page, to see if that helps.

A short answer might be that you should think of the early Universe being very large. The CMB is simply the photons we see coming from a sphere around us of size equal to the light travel time in the age of the Universe (or minus that 300,000 years if you like). It might help to think about sound waves coming at you from a huge crowd of people who all shouted something at once - at any given time you hear the sound from a circle of people around you, with the radius being the sound travel distance since the time of the Big Shout.

Suppose I had the technical means to manuever myself so I was in the CMB reference frame: Would I then be unable to decect any photons from the CMB?

Прислал rich"AT"concordma.com 12/03

No. You would still detect the CMB, but it wouldn't have a dipole pattern. In other words, you'd get the same flux of photons in every direction. Since we're actually not in this frame, but moving at a few hundred kilometres per second with respect to it, we see about 0.1% more photons coming from one side of the sky (the side we're moving towards) and the same amplitude of deficit from the opposite side. This is what we call the "CMB dipole", and we can use it to measure our speed through space.

In case there's a confusion here, being "in the CMB reference frame" means nothing more nor less than being in the frame of reference in which there is no dipole. It doesn't mean moving at the speed of light along with the CMB photons. They are coming at us from all directions, and hence there is no frame of reference in which they are all at rest, even if we could travel at the speed of light.

If this radiation is mainly photons, whay is it still visible, rather than having radiated out of sight, range and mind about 12 billion years ago? Why is it still visible equally (with local variations) in all directions?

Прислал Anjodon"AT"aol.com 01/04

Because it comes from the whole Universe! You can read several different answers to this (or essentially this) question elsewhere on this page.

Here's an analogy which might help. Imagine you are at a very important sports event, with an enormous crowd. So enormous in fact, that it takes a significant amount of time for sound to travel from one side of the crowd to the other. Let us say that you are somewhere in the middle of the crowd, so we don't have to worry about any edges etc. And imagine that at some particular instant there is a crucial point scored in the game. Everyone in the crowd lets out a loud shout at the same time (they are all watching the game with basically no time delay, since the speed of light is so fast, in case you were worried about that complication!). Now the question is, if you wait until, say, 13.5 seconds later, which people are you hearing the shout from?

The answer is that there is a circle of people around you, each located 13.5 "sound seconds" away from you (i.e. the distance sound travels in 13.5 seconds). The shouts from the closer people have passed you already. The shouts from the more distant people haven't reached you yet (this requires that the size of the crowd is several kilometres across, but never mind that!). If you wait a little bit longer you will be hearing the shout from the people who are 13.6 "sound seconds" away, etc. And if the crowd is big enough, then there will always be people sufficiently far away from you that you will be hearing their shouts at later and later times, from more and more distant circles centred on you. And some friend of yours located at some other position in the crowd will also hear the shout from a 13.5 "sound second" radius circle, but their circle will be different from yours.

The arrival of the CMB photons is exactly like this! Except that we live in a 3 dimensional Universe, rather than a 2 dimensional ceowd of people, and that the CMB photons travel at the speed of light, rather than the speed of sound (about 1,000,000 times slower). At some epoch in the early Universe, everywhere emitted CMB photons. About 13.5 billion years later we are now seeing the photons arriving at us from a sphere of radius 13.5 billion light years. 100 million years from now we'll be seeing the photons from parts of the Universe which are 13.6 billion light years away, etc. So the photons did not pass us all already, because they come from everywhere - just like shouts from a huge crowd of people.

Although CMB which we observe _locally_ have T=2.7, CMB which was generated here 13 billon years ago does _not_ have T=2.7 _in our frame of reference_. It is flying some 13 billion light years away from us now with v=c but it is still gamma rays! So, E = (energy density) x (volume of sphere) isn't ok - energy density is not constant (again, _in our frame of reference_) Do I miss something here? [сокращено]

Прислал vda"AT"port.imtp.ilyichevsk.odessa.ua 01/04

The CMB photons are travelling at the speed of light in all directions, and hence the ones we see in some direction today came from over there a long time ago! But an observer in that location today will be seeing our CMB photons now. There has been a factor of 1000 in redshift between the CMB "last scattering surface" and today, and hence the photons have had their wavelengths shifted by that factor. That means that the photons leaving our last scattering surface were roughly 1 micron in wavelength at that epoch, and redshift to roughly 1 mm wavelength on their way to us. At that same original epoch our region of the Universe was full of roughly 1 micron photons too, and those photons propagated in every direction, and today are reaching distant observers (at the location of our last-scattering surface, but at today's epoch), who would detect them with a wavelength of about 1 mm too.

According to the expanding Universe picture, the Universe really was hotter in the past, with temperature simply inversely proportional to (1+redshift) [here I'm using redshift as a label for the time coordinate, higher redshifts mean earlier times].

If we want to estimate the total energy in the CMB in some volume at the present epoch, then we just take today's CMB density and multiply by volume. There's no redshifting in this calculation, since we're assuming we can do the calculation at a single time. Of course you could also ask about the integrated density along a coordinate where time changes proportional to distance (technically called the "light-cone"), but that would be a different question.

What is responsible for the "background" aspect of CMB. We speak of "background noise" and understand it as composed of emitted and reflected noise in an echoic environment. Since all the original radiation that makes up the CMB was emitted over the relatively short period of time of plasma coalescence about 380,000 years after the big bang and streamed away in all directions at the speed of light, with all the matter formed during the coalescence following behind at less than the speed of light, how can we be bathed in this radiation today? What is the mechanism by which it is reflected or refracted or absorbed and re-emitted back to us today? What causes the echo?

Прислал ogdennr"AT"laplaza.org 01/04

This is a somewhat more sophisticated version of the "why haven't the CMB photons passed us already" question, which I've answered many times before!

One thing to understand is that everywhere in the early Universe was emitting photons, not just some finite region. So there is no reflection, refraction or absorption - the photons simply stream straight towards us from wherever they originated. For us this is a spherical shell the distance away that light has travelled since the Universe went neutral about 400,000 years after the Big Bang.

[сокращено] I am wondering if you might be able to steer me in the direction of some other very easily read information regarding the CMB, other than your wonderful site of course.

Прислал christopherrobincox"AT"peoplepc.com 02/04

Although obviously nothing compares to this site, you might want to check out one of these: Wayne Hu's introdution to the CMB; WMAP's overview of the CMB (and you could look at other things there too).

Is the CMB red-shifted, and if so, how much?

Прислал JCEvans"AT"hntb.com 03/04

Yes, the CMB is very much redshifted!

The photons which make up the CMB were created in the hot early Universe, and have been decreasing in energy as the Universe expands and cools. We see the imprint of the anisotropies caused when they last interacted with matter at a redshift of around 1000. But the photons themselves were created when the Universe was hot enough to make lots of particle/anti-particle pairs, at redshifts of billions.

So you can think of the CMB photons being created as high energy gamma-rays when the Universe was billions of Kelvin. They've had their wavelengths stretched by a factor of something like a billion so that today they represent radiation with a temperature of only a few Kelvins.

hey, you guys dont no if thats the edge of the universe or that the cosmic backround just isnt some big line around a huge group of galaxies that we are inside kind of like the thing that gois around the solar system , i bet there are a shit load of bubbled in mass amounts of galaxies and star things that were in, i cant stand that you guyts actually think that the universe is finte thats rediciluous. First of all you can only say wat you telescopes can see and defently you guys cant see infinte space so dont bother with that cbm stuff its ridicilous.

Прислал blizzard710"AT"hotmail.com 03/04

That's an interesting point of view, which I thought I'd share with everyone in its entirety.

Actually my own hunch is that the Universe is infinite in size. Or at least half that big anyway.

I read somewhere that at the point of last scattering, the CMB (although not in microwave form) was some 3000 degrees Kelvin. If this is so and it is now cooled to 2.73 degrees Kelvin by the effects of universal expansion as the universe becomes less dense, by my estimates of averages, in about 12 to 13 million years the average temperature will reach zero Kelvin, or absolute zero and will no longer be detectable. Is this a correct assumption?

Прислал grojo"AT"elpn.com 04/04

The CMB is getting cooler all the time, in direct proportion to the expansion of the Universe. The more the Universe expands, the colder it will get. But it won't ever get to zero, although you can imagine it being arbitrarily small by going further and further into the future.

In a Universe dominated by Dark Energy (currently the best guess picture), the expansion is becoming exponential. The expansion rate (otherwise known as the Hubble parameter) becomes constant, and we're almost in that situation already. Assuming exponential expansion with the exponent measured in Hubble times (about 10¹⁰ years), then the sums are relatively easy to do. You need to wait about 10 billion years before the temperature has fallen to about 1 Kelvin. And in 12 million years the temperature has only changed by only about a thousandth of a Kelvin.

You state in some of your answers that we can only observe CMB photons which could have traveled this far at the speed of light since the last scattering; implying, to me anyway, that there would be something beyond that horizon. If there is indeed something beyond that horizon (possibly a lot), doesn't that mean that the universe is older than the estimates, since those estimates must be based on what is observable? If I'm not way off base with my reasoning and the models have not already accounted for this, what are the implications of an older and larger universe?

Прислал JCEvans"AT"hntb.com 05/04

There is certainly stuff beyond the "last scattering surface", although we can't directly see back then using CMB anisotropies. But we can probe those distances (and times, since looking out further and further means looking back further and further in time) using other probes of the early Universe (such as details of the formation of the light elements).

However, the best picture we have of the Universe puts the present age at about 13.5 billion years, but the age at "last scattering" at only about 300,000 years. So there really isn't very much further back that you can go! In other words the photons reaching us from the "last scattering surface" left on their journey not very long after the Big Bang (at least by cosmological timescale standards!).

The actual "particle horizon" is the distance beyond which we can't see because there hasn't been enough time for light signals to reach us from there. That's about 13.5 billion light years away (or actually a bit further because of the expansion of the Universe in that time). And of course there's lots more Universe beyond that, it's just that we won't be able (even in principle) to find out about it till later!

I enjoyed your tutorial in ISM and the mechanics of how the CMB may have been emitted. Could you give me a flavor (or a good reference) that goes into the theory of how the photons of the CMB were cooled, from the presumably very high temperatures at which their emissions occurred, down to the 2.7 deg Kelvin level. I would like to be able to develop a notion for the energy loss/frequency shifting mechanism such as adiabatic expansion, tired light, or whatever caused the centroid of the CMB spectrum to decline (or if my conception is wrong, to start off so cool at the time of emission).

Прислал WHeller"AT"fdic.gov 05/04

It's really very simple to understand the idea. It's just that the Universe is expanding, and as the photons travel through space they have their wavelengths stretched along with the expansion. So all the photons produced in the early Universe get shifted to longer wavelengths as time goes on. This means that their energies are reduced (since the energy of a photon is inversely proportional to its wavelength). And hence an initially hot spectrum of photons looks just like a lower and lower temperature spectrum as the expanding Universe gets older. If the Universe was contracting, then the CMB would be heating up and would eventually cook us (but don't worry, that won't happen!).

the wave-length of CBR is constantly changing as the universe expands because the CBR is expanding along with the universe. If we could note a change in the wave-length of CBR, it would give insight into the rate of the expansion of the universe. Is this right? If the rate of the expansion of the universe is known based on Hubble's constant, how long should it be before we notice a change in the wave-length of CBR?

Прислал timothy.patry"AT"us.army.mil 07/04

Good question!

You're right that the CMB photons are being stretched all the time. Or another way to think about it is that the blackbody radiation is cooling, and so its temperature is decreasing. Unfortunately it takes a timescale of order the age of the Universe for the temperature to change by a substantial amount! You'd need to measure the temperature to about 1 part in 10⁸ in order to see the difference over a human lifetime!

I would like to know if anyone has looked for coherent electromagnetic radiation in the radio frequency range - could there be another type of CMB out there?

Прислал alistair"AT"goforit64.fsnet.co.uk 07/04

I confess that I'm not really sure what this question means, sorry!

By "coherent electromagnetic radiation" I normally think about lasers and masers. Well you can certainly get such radiation in the microwave part of the spectrum, and there are even astronomical sources known to be masing. However, the CMB radiation comes from everywhere, and I'm not even sure how to talk about the idea of "coherent" waves coming from all around me. But I think the answer is that if the radiation was "laser-like" we would have known about it in about 1965. There could of course be "masing spots" coming at us from the microwave sky, but the only such sources we know about are very much local and not "cosmic background".

Our detectors see a steady stream of CMB photons raining down from all directions. As I understand it, these photons originated at a specific time (BB + 380kyr) at every point in the expanding universe. Like most people, I am tempted to ask where the photons we see NOW have been all this time. However, am I right in saying that we are seeing the event run over and over, like a continuous film loop in the sky? Did the photons we see at each second start off in a shell one light-second further away?

Прислал Sturandall"AT"btinternet.com 07/04

I think you're more or less on the right track here (although I'm not sure about the continuous film loop analogy).

Try thinking about the photons arriving here and now from all directions. A second ago they formed a spherical shell around us, one light second in radius, and all moving radially inwards. A second before that, they were in a shell 2 light seconds in radius, etc. So the photons arriving at us now used to be somewhere else and on their way here.

Once particular photons have passed us they'll never be back! But there's no need to worry, because there are always plenty more photons out there!

Last night I read ALL of your email answers to CMB questions. I admire your skill and find your patience wonderful (even not minding answering the same question more than once!) The bits I have the most trouble with are (1) "Space" - what IS it. How can it "expand". How can an "infinite" thing expand? (2) The radiation is downshifted "because the space it is in has got bigger" - by which you seem to mean "THINGS in it have now got more space between them"

Прислал johnfree"AT"uk2.net 09/04

Firstly, let me congratulate you on reading all these FAQs - that must have taken quite a while! Then let me try to give some kind of answer to your questions.

For the first question, "What is Space?", that's really a very good one! There are probably several joke answers to this, and several clever-sounding philosophical answers that don't really help. The dictionary definition "that which makes extended objects conceivable and possible" is probably about the best you can do for an answer. Within General Relativity (our currently best idea for a theory of gravity and motion) you can think of space as a "field", in a similar way (although with different properties) to the electromagnetic field.

In a sense the reason that it can expand is because there are solutions of General Relativity in which it can expand! But that's really not a very satisfying answer. Some people like to think of the expansion of the Universe as the space between galaxies expanding, while other people like to think of it simply as the distances between galaxies getting bigger, and a third set of people can't see why the first two ideas are different!

Having failed to give you much of an answer for your first question, let me do an equally poor job on the second one! The radiation in the Universe is in a sense doing the "work" which makes the Universe expand. And objects in the Universe don't absorb all the radiation because there hasn't been enough time for that to happen. In other words the typical CMB photon can travel all the way to us from the early Universe without much chance of interacting with anything along the way. So the CMB photons continue to stretch as the Universe expands, and they don't get absorbed by the matter.

You wrote: "The CMB photons we see today are coming to us from way across the Universe (about 13 billion light years away, if for example the Universe is 13 billion years old)." Why do 13 billion yr old photons designate points in space 13 bly away?

Прислал dreeves"AT"brandeis.edu 09/04

The photons don't choose us, we choose the photons!

The photons that we are observing right now must have come from a sphere around us which is (say) 13 billion light years in radius. There's nothing otherwise special about those photons. They "chose" to be observed by us now only in the sense that their neighbouring photons back then "chose" to be observed today by cosmic neighbours of ours.

Is it true then that the CMB wasn't always microwave? That it is microwave now based on the degree of cooling the universe is at right now? That previously the cosmic background (CB) was on the higher-energy end of the spectrum, and that as time goes on and the universe continues to cool, the CB will continue to migrate toward lower and lower energy regions of the EM spectrum?

Прислал hkc1"AT"tof-one.org 09/04

Yes! Yes! And yes!

(Those sure were easy questions to answer!)

Isn't it possible then that the CMB could essentially be a manifestation of the "fabric" of space-time...the thing for which Einstein mathematically "nails down" its behavior in general relativity? And if so, is it not possible that certain fundamental "constants" that govern the physics of our day could actually be slowly changing as the fabric of the universe expands and cools?

Прислал hkc1"AT"tof-one.org 11/04

No!

But actually these are harder questions to answer!

For the first question, I think you are asking whether the CMB can be the Dark Energy, or cosmological constant introduced by Einstein. That's not possible, since they behave in fundamentally different ways. The CMB is radiation, while the Dark Energy is "vacuum energy" (or something only subtly different from that in some models). These two substances have quite different relationships between their energy density and their pressure, which leads them to evolve quite differently in an expanding universe.

As for fundamental constants changing in time, this is certainly possible in principle. However, you have to be careful about what you mean by a constant, which is related to measurement and units. It's only really meaningful to talk about the variation of "dimensionless" quantities, or in other words ratios of fundamental constants. There are some claims that such a variation may have been seen by looking at spectral lines over a wide range of redshifts, but most cosmologists remain skeptical of these results, since the systematic uncertainties are hard to assess. There are also models in which the constants might vary in an observable way, but again, most cosmologists don't regard any of these models as particularly appealing right now.

I do not quite understand why the CMB is a prefect blackbody. How could the... freeze out at recombination/decoupling not release a... distorted signal since the Last Scattering Surface would still have a distribution of photon energies even at 3000 K? Also, wouldn't this also result in H absorption lines?

Прислал lucero"AT"chem.ucla.edu 11/04

A "blackbody" is just the equilibrium distribution of photon energies for a given temperature. Back at the time of recombination the CMB was in vey good thermal equilbrium and therefore was very close to having a blackbody spectrum. This means that there was indeed a distribution of photon energies - just the right distribution to be a blackbody spectrum.

As for the second part of your question: there wouldn't be hydrogen absorption lines, since the amount of absorption is quite negligible. However, there will be a set of emission lines coming from all the hydrogen that went from ionized to neutral at the recombination epoch. These lines are incredibly weak however - remember that there's about a billion CMB photons for every atom in the Universe, and so there's about a billion times less of these line photons than general CMB photons.

I guess I just don't understand why it is still all around when there is = no source for the radiation. Doesn't it travel?

Прислал lucero"AT"chem.ucla.edu 11/04

There certainly is a source for the CMB. It's the entire early Universe! And the photons travel at the speed of light from where they were made until they reach us, about 13 billion years later. The Universe is much bigger than 13 billion light years, and all of it made these photons.

"According to the Big Bang theory, the cosmic microwave background was = created when energetic photons ionized the neutral hydrogen atoms that = originally filled the universe." Is this statement sensible? Why or why not

Прислал claudias"AT"rice.edu 11/04

This sounds like a homework exercise in some class! I think I've waited long enough to answer it though, that it's unlikely to help get anyone a better grade!

My answer would be that the statement is quite confused. The CMB photons were created in the very early Universe, and in fact you can think of their origin as being from the annihilation of particle/anti-particle pairs at very high energy as the Universe cooled. I don't know what the "energetic photons" in the statement are, if they aren't the CMB photons themselves. And in the Big Bang picture, nothing ionized the neutral hydrogen atoms to be begin with, since the Universe started off hot and ionized. So neutral hydrogen atoms did not fill the Universe at early times.

Please help. I am doing a project on the big bang thoery and i would like to get some information out of you. Please tell me some cool information about cosmic microwave background; i'll take anything. Information that you did not put on your site.

Прислал inherprime"AT"gmail.com 11/04

How do I respond to such a request? Isn't the information on this page more than enough?

The CMB is one of the genuinely coolest things in the entire Universe, being only about 2.735 degrees above absolute zero!

I am an amateur,so sorry for these silly questions: how can we be so sure that CMB cames from 13 billions years ? And how do we know that CMB has not changed since then for some unknown reason?

Прислал FeliciL"AT"ANCE.IT 10/04

Don't apologise for being an amateur - I'm an amateur at many things myself!

We can be pretty sure that the CMB photons come from the early Universe for several reasons. The strongest ones are probably: (1) the "blackbody" spectrum, which can only have come from something in extremely good thermal equilibrium, and the only candidate is a hot early phase in the Universe; (2) the near isotropy of the radiation, pointing to an extremely distant origin; (3) the pattern of anisotropies, which can only be understood as arising from density variations at the time the Universe cooled enough to go from being a plasma to being neutral.

The CMB certainly has changed since it was formed in the early Universe - it's much colder today than it was then!

I have commenced a research paper on dark matter. The cosmic microwave background seems to be intertwined into dark matter's existence. Can you brief me on this? Also, can the inferred invisible particles in the universe exert the enormous gravitational force necessary to keep stellar galaxies together and in rotation? Or do you think another force is necessary, and gravity is perhaps a "subordinate" in this picture (or perhaps even negligible since it is a weak force)?

Прислал tyro7djm"AT"vfemail.net 10/04

I have to remind readers of this page that I always delay when answering questions which seem to be asking me to do homework for someone!

There are many connections between the CMB and dark matter. Certainly one cannot understand the pattern of anisotropies properly without invoking dark matter. So a recent piece of evidence in favour of cold dark (i.e. "non-baryonic") matter is that there's a direct constraint on the amounts of baryonic and non-baryonic matter coming from the CMB anisotropies. You need about 5 or 6 times as much "cold dark matter" as regular matter.

Although there are several ideas for non-gravitational forces which might be operating on large scales, there is currently no theory which can explain a large suite of different sorts of cosmological information without having this dark matter.

Where does it come from? What are the sources? What are the Proportions in our atmosphere of alpha, beta and gamma radiation. A pie chart would be ideal.

Прислал putnamrm"AT"shrewsbury.org.uk 11/04

This looks like another Cosmic Ray question to me!

The CMB is composed entirely of photons, i.e. very, very low energy gamma-rays, with no alpha or beta radiation at all. So the pie chart would be a complete pie labelled "photons".

was there any one study that stands out in particular as the "discovery" of the microwave background? Who has doen the most influential work in this field, and where could I find articles they have published on this topic?

Прислал Zachary.A.Mayer"AT"Dartmouth.EDU 11/04

Although the early history of the CMB has several twists and turns, it was definitively discovered by Penzias and Wilson, whose discovery paper was published in 1965. You can find out a lot more about them by doing an internet search on "penzias and wilson" for example.

Lots of people have worked on the CMB since those days, both on the experimental and theoretical sides. Robert Dicke did some of the most important early experimental work, with Dave Wilkinson carrying this on for the rest of his career, and eventually having the WMAP satellite named in his honour. There have been lots of other great experimentalists, but since they're mostly still alive, I don't want to get into a prioritisation contest! Modesty also forbids me to name the most important theorists!

I would like to know if the CMB could be responsible for keeping the electron spinning around the nucleus of all atoms in living organisms, a little bit as microwave radiations accelerate electrons in food.

Прислал slemaire"AT"uottawa.ca 01/05

No. The intensity of the CMB is so low (compared to pretty much anything you can think of that you could generate yourself, microwave or otherwise) that it must have negligible effect on human beings and other living organisms.

Electrons orbit atomic nuclei essentially through the electrostatic force between opposite charges, although you need to throw in some quantum mechanics to understand what's going on in any detail.

If background radiation comes from all directions, why would you need a horn and waveguide to detect the signal ? Wouldn't a super high gain transistor detector circuit receive a more accurate signal if it were direct coupled to a tuned full wave antennae ?

Прислал king_james_1"AT"verizon.net 01/05

You obviously know a lot more about radio technology than I do!

However, I think you may have things a little confused here. The CMB is very "broadband", since it has a blackbody spectrum, and can be detected over about 4 decades in frequency. So you don't want to tune to any particular frequency (and in fact will lose detection efficiency in a very narrow band detector). The second thing is that the CMB comes from all directions, and so you can point your antenna anywhere, except that you'd like to collect a lot of radiation, and so your antenna has a dish or horn of some sort. But you're certainly right that a high gain transistor might make a good detector.

In your answer to the "How come we can tell what motion we have with respect to the CMB?" question, there is one more point that could be mentioned. In an expanding universe, two distant objects that are each at rest with respect to the CMB will typically be in motion relative to each other, right?

Прислал danieldarre"AT"yahoo.com.ar 01/05

Correct! The 2 observers will be in the "Hubble flow", i.e. they will be receding from each other along with the expanding Universe. If they're at rest with respect to the CMB, then they won't have any "peculiar velocity" relative to this "Hubble flow".

How would it be seen an object (mass) staying at rest respect to that absolute (expanding) rest frame, from a reference system that is traveling with respect to it at the speed of the earth, from the point of view of time dilation due to relativistic effects.?

Прислал danieldarre"AT"yahoo.com.ar 01/05

A distant object which is in the "Hubble flow" will be seen to have a redshift as a result of the expansion. You can think of this as simply due to the expansion of the wavelengths of the photons as they travel to you from the distant object, or you can think of it as like the Doppler effect of a velocity (although this really only works for fairly modest speeds, otherwise you have to be a lot more careful).

An object observed at some high redshift will also be observed to have a "time dilation", i.e. the timescales in the frame of an observer there will appear to be longer than your time by a factor of (1+z), where z is the usual sumbol for redshift. The light curves of distant supernovae show just such an effect.

An object which has its own "peculiar velocity" relative to the expansion will be seen to have redshifted wavelengths in its spectrum and a time dilation on its clocks which is an appropriate combination of the 2 effects. Explicitly you have (1+z_total) = (1+z_Hubble)×(1+z_peculiar).

I am curious why nobody is curious about the spread of the photons frequensys when thay where created in the big bang. Why this background radiation, 1mm to one tenth of a meter? [сокращено] When energy make photons in the big bang it has all of the spectrum to chose in why this narrow band?

Прислал sim"AT"telia.com 01/05

The early Universe is in very good "thermal equilibrium", which means that there are photons with a wide range of energies, with the spread dependent on the temperature that the Universe has. This spread in frequencies is referred to as a "blackbody spectrum", which is a particular mathematical expression determining the precise number of photons at each frequency. This blackbody radiation was once very hot, but cooled as the Universe expanded. All of the frequencies of the photons get redshifted, so that the blackbody shape stays the same, except that it changes to be a blackbody of lower and lower temperature.

So the CMB photons are not from a narrow range of frequencies at all. You may have got that impression from reading about specific measurements of the CMB, which use an instrument which only covers a narrow range of frequencies. But the CMB itself is quite a broad frequency function. Given that the temperature today is about 3 Kelvin, the peak frequency is somewhere around 100GHz. The number of photons has fallen off so much at frequencies corresponding to very long wavelength radio or very short wavelength visible photons that you couldn't hope to detect the CMB in those wavebands. However, you can detect the CMB over a pretty wide range, from a little below 1GHz to almost 1000GHz.

I am also at a loss at understanding the concept of photons cooling after they have been generated. Is there any URL you can refer me to explaining/describing how emitted radiation might cool in an expanding universe (ie. to the current level of around 2.7K). I'm comfortable with the kinetic cooling of gasses as they expand, but the cooling or reducing frequency of propagating electromagnetic radiation is has challenged my knowledge of physics somewhat.

Прислал jcoldrey"AT"bigpond.net.au 01/05

OK, here's an attempt to answer this question from the point of view of someone who has some basic grounding in physics (say at the introductory college level).

You can think of the CMB as being a "radiation gas", i.e. a collection of photons behaves like a gas of atoms, with the big difference being the relative amount of pressure per unit density. Another way of saying this is that radiation behaves like a gas with a "gamma" (ratio of specific heats factor) which is 4/3, rather than the 5/3 that you have for an "ideal gas" of regular atoms.

This radiation gas will cool if you expand it, just like any other gas, except that the amount of cooling is different because of the different "gamma" factor. So if you want to think of the CMB in this way, then you can understand why it cools, just like a regular gas would. And the amount of cooling explained in this way turns out to be just the same as saying that the energy of the photons goes down as the wavelength of the photons gets stretched along with the expansion.

You have said: "BTW, a fun fact: the coordinate system defined by the CMB is not inertial!" May I know why?

Прислал bhalerao"AT"nuclth.theory.tifr.res.in 01/05

I don't recall ever saying that!

But it's true that you can't fully consistently deal with frames in an expanding Universe within the context of special relativity, but need the full General Relativity theory. Although space appears to be close to flat, it's still not "Euclidean", because it's expanding. So one needs to be careful to set up a framework in which you can talk about a "peculiar velocity" relative to a set of hypothetical observers who are moving along with the expansion.

If the CMB was emitted some billions of years ago and travels at the speed of light and we have "traveled" from that same point in space time at lots less than the speed light, how is it that we can see it? Wouldn't it be long "past" us? And how come we can see it in all directions? [FOLLOW UP]: I found the answer in your email answers section. I think I understand it but ... It is not an easy concept.

Прислал tjax"AT"comcast.net 02/05

I like it when people answer their own questions before I get to it!

You're correct that this is not an easy concept. It may be that different people have different ways of picturing this. But my feeling is that for most people the main difficulty is that they are starting off with the wrong image, and then it's extremely hard to get it right after that. So it might help to totally erase the idea that the Universe used to be smaller (or that it started with a singularity or very small region embedded in some larger space) - instead start with the idea that it has always been infinite in size (even if everything used to be closer together in the past) and take it from there.

Is it logical to maintain (as we appear to do) that the space-time expansion can affect minute entities like photons by stretching their wavelengths and yet the same space-time, the curvature of which is gravity, also holds together galaxies and galactic clusters stretching only voids between them? Whence this discrimination?

Прислал adarnay"AT"sbcglobal.net 03/05

This is a very good question! The answer is "yes, it is logical to maintain this", and the best way to think about the distinction is to consider what the space is doing.

As you point out, galaxies aren't expnading along with the distances between galaxies, because they are self-gravitating objects which no longer care about what the rest of the Universe is doing. Photons within galaxies don't have their wavelengths stretched either, since the space within the galaxies isn't expanding (although there could of course be effects arising from velocity or gravitational differences between emitter and observer).

The wavelengths of the photons get stretched because the space is expanding as the photons travel through that space. So it's really only because the photons are propagating through the expanding space that their wavelengths are stretched - or at least that's one way to think about it which I think is helpful to resolve your dilemma.

[сокращено] Specifically, as a photon travels through inflating space and its wavelength gets stretched, where does the lost energy and momentum go?

Прислал WHeller"AT"fdic.gov 03/05

The energy goes into the expansion of the Universe!

Could you be a bit more specific? What is the coupling mechanism by which the universe (or some of its mass or energy) picks up the lost energy of the cooled photons?

Прислал WHeller"AT"fdic.gov 04/05

There's no "coupling mechanism". It's simply thermodynamics. Per unit volume of the Universe, the energy lost due to the expansion is equal to the "work done". This has to be true, since all cosmological models are calculated within the context of General Relativity, a theory which manifestly conserves energy.

My major is French Litterature so I am not so familiar with science. But I guess I understood the relation between CMB, Big Bang and current universe's temperature being 3K. However, I don't exactly get the cosmologic? concept or the mental picture I should be having while thinking about the whole universe. If CMB and our universe is like our microwave oven, how could we ever measure the CMB from the past universe - temperature of which should be way higher?

Прислал doyon1004"AT"hotmail.com 03/05

Thanks for your question. I'm trying to guess what picture you might have in your head in order to try to figure out what sort of answer would be most helpful to you. So I apologise in advance if I get this totally wrong!

You should really s start by removing any idea that the Universe is like a microwave oven! I see nothing very useful in that analogy. But nevertheless we could continue with it, provided you're prepared to think of it as an immense and expanding oven, whose walls are extremely far away! You have to imagine that at some early time the oven was turned on and filled with photons everywhere (actually photons of such high energy that they were gamma-rays rather than microwaves). Then the oven is made to expand (but was always huge in size remember!), so that the distances between the photons get stretched, and the wavelengths of the photons also get stretched along with the space.

Today we live at the time when the wavelengths have stretched so much (compared with the time the oven was turned on) that they have become microwave photons. So we observe microwave photons reaching us from the very distant Universe, and emitted at a time when the Universe was very hot. We can see these photons coming to us from all directions, defining a sphere around us which has radius equal to the light travel distance in the time since the oven was turned on. And provided the walls of this oven are considerably further away than this distance of the "observable part of the oven", then to all intents and purposes we can consider the oven to be infinite in size.

And provided you can picture such a microwave oven, then you can do away with the oven entirely, and you're left with a pretty accurate picture of the Universe!

[сокращено] Im stuck on the problem of light aberration, associated both with the measurements of positions of the distant star (object) you give as an example, and the measurement of earths speed with respect to the CMB. It all comes in the end to the resolution of a right triangle, one of its normal sides been v and one of the others being c. But Ive found few explanations for free on the web, seemingly at odds between each other. I was trying to elaborate a consistent word document with a concrete question. But I think it better, as Cosmology is your field, if you are kind to put me in c ontact with some information where I can figure out the problem by myself first.

Прислал danieldarre"AT"yahoo.com.ar 03/05

I find that "Eric Weisstein's World of Physics" is a good place to start for basic physics principles. You can find a description of stellar aberration here

I noticed that in your response to an earlier question (11/98) to the wavelength and frequency of CBR your state that CBR is approx 150GHz @ 3K. How does this relate to Smoot's statement in his book that CBM had an approx wavelength of 7.35cm IE approx 4080 MHz? Is not this the frequency detected by Penzias and Wilson?

Прислал ed.hudson"AT"equilinx.com.au 04/05

The CMB radiation is "blackbody", meaning it has a broad spectrum of wavelengths with a precise mathematical shape consistent with a single temperature (2.725 Kelvin in this case).

The peak of the CMB spectrum (in appropriate units) is at about 150 GHz. However, you can detect it over a wide range of frequencies (or wavelengths). Penzias & Wilson first detected it at quite low frequency, namely 4080 MHz, which corresponds to 7.35 cm wavelength. But that is in fact nowhere near where the spectrum peaks. Anisotropy experiments typically work at frequencies much closer to the peak, since the "foregounds" are much less of a problem there.

In your list of FAQs about CMB, you state that the ratio of photons to ordinary matter in the primordial universe was fixed when the energy of those photons fell below that required for pair production. Presumably this would also have determined the initial temperature of the photon "gas" in thermal equilibrium during subsequent cosmic expansion. I would assume that the lightest (stable?) particles that could be created were electron/ positron pairs, giving an initial temperature for the CMB of about 1.04 MeV or 1.2 x 10[10] K. But, if recent findings of neutrino oscillations are correct, these particles also have a (very small) rest mass. If neutrino/ antineutrino pair production were the threshold process, it would correspond to a much lower initial CMB temperature. Am I way off base or is there a grain of substance in my reasoning?

Прислал skylar"AT"nednet.net 05/05

There is some grain of truth in what you are saying, but also some confusion I think.

There's no "initial" temperature in the expanding Universe. The CMB temperature continues to climb as you push back to earlier and earlier times (until eventually you reach energies where you don't know how to do physics any more!).

Neutrinos interact through the weak nuclear force, and this stops ("freezes out") just about the same time as the electron-positron pairs annihilate - actually a little before. So the neutrinos were already evolving separately from the photons by the time of the last particle annihilations. There should be a background of cosmic neutrinos, with roughly the same density today as the photons. However, because they decoupled from the photons before electron-positron annihilation, then it is predicted that the neutrino background today should have a slightly lower temperature (since the CMB got boosted by the annihilation photons, while the neutrinos carried on having the "old" temperature).

The predicted neutrino temperature is about 1.9 Kelvin. So if anyone can figure out how to measure the background of incredibly low energy neutrinos then we could test this! But remember that high energy neutrinos from the Sun are pretty darn hard to detect, and they have about a billion times the energy.

Redshift has three causes: the rapid recession of an object emitting light, an extremely massive and dense object emitting light and the streching of spacetime due to the expansion of the Universe. How does General Relativity show that the CMB is about 46 Gly (giga light years) away and recedeing at about 50c?

Прислал emission_nebula"AT"excite.com 05/05

I'm not aware that all of these statements are true.

General Relativity tells us, in a sense, that all the causes of redshift that you mention are really the same - it's just a question of point of view. For nearby objects it's easiest to think of the expansion of the Universe in terms of the speed of recession of galaxies relative to each other. But for more distant things (where the speed would approach the speed of light) it's much more helpful to think of the redshift as coming from the stretching of distances between objects.

The best estimates for the age of the Universe are between 13 and 14 billion years. We also know that the Universe is expanding, and that the expansion rate has not been constant - in fact it was decelerating for a while, but is now accelerating. So the Universe is "bigger" now than it was when the photons (that we're observing today) left on their journey. For the current best model, taking into account the decelerating and accelerating phases, we get a distance out to the "CMB photosphere" of around 14 Gpc (Giga-parsecs, in astronomer units), which is indeed close to 46 GLY (billion Light Years).

For the speed of recession, you need to be careful to define precisely what you mean. I'm not sure what the "50c" is supposed to refer to. If the CMB was receeding from us at many times the speed of light, then certainly the photons wouldn't be reaching us at all!

i read "Misconceptions About the Big Bang", Scientific American, March 2005. the authors state that more distant galaxies do excede the lightspeed, c. the authors also state that we can see galaxies that are receding faster than c. http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm defines cosmic redshift as z = e^(v/c) - 1 so the speed of any galaxy whose a redshift is 1.7 equals c, and the speed of any galaxy whose redshift is greater than 1.7 excedes c.

Прислал emission_nebula"AT"excite.com 11/05

The problem with speed is that it's the change of distance per unit time, and in relativity we know that both distance and time are observer-dependent quantitities. So you have to be very careful about precisely what distance and time coordinate you are talking about before you discuss the speed. There are several ambiguities, for example whose time coordinate do I use? when do I measure the distance? do I divide out by the expansion of the Universe? am I only thinking about things along the "past light cone"?

I read that article by David and Lineweaver, and I'm a great fan of Ned Wright's web-pages. I know all of these people, have respect for their abilities to explain things clearly, and wouldn't argue with them for an instant!

Nevertheless, I think it's conceptually much easier to just think of expansion in the Universe as a stretching of the space in which everything lives, and to expunge all thoughts of speed from the picture! It is certainly true that in some coordinates there are objects which are currently moving away from us faster than the speed of light. But that's not important! Nothing is actually whizzing past anything else at v>c. The apparent speed of distant objects comes from the overall stretching of distances, a concept which is neither in our every day Euclidean or Galilean view of space-time, nor even in special relativity. So trying to think about this "inside the box" of Galilean or special relativity isn't very useful.

I have a question? what caused cosmic microwave background? Please help!

Прислал bupshaw"AT"uabmc.edu 06/05

It's the left-over radiation from the hot early Universe. There's a lot more information about it on this page!

[сокращено] Matter is easily observed to cool to 2.7K, and radiate at this temperature in a state of thermodynamic equilibrium with the 2.7K CMB - proof that matter is a source of the 2.7K CMB, and of long-sought "cold, dark matter".

Прислал johnson"AT"cogeco.ca 07/05

Certainly there's a connection between matter and radiation. The "hot big bang" view is that the CMB was indeed emitted by matter, but this was at very early times, when the temperature was very high (and the timescale for approaching a blackbody spectrum was very short). The CMB is observed today at 2.725 Kelvin because the Universe has been expanding.

Local sources of microwave photons just can't make such a precise blackbody spectrum. Besides that, we know about the temperature state of lots of regions of the local Universe, and typically the luminous matter is much much hotter than the CMB temperature. Although we don't know very much about the "cold dark matter", we do know 2 basic facts about it: (1) how much there is, about 25-30% of the total density of the Universe; and (2) that it has very weak interactions, with essentially no coupling to the electromagnetic force. This second fact means that the CDM does not interact with photons of any wavelength, and hence has no direct relationship to the CMB.

i am a final year electronics and communications engineering student and will be working on my final year project soon. I sport interest in the field of cosmic background radiation and was wondering if there was any possibility of doing a project related to the field.i have been searching for material on and off the internet,but they seem too large scale for a final year project. Could you please inform me of the feasibility of a project in this field.

Прислал thahirshahnaz"AT"yahoo.co.in 09/05

It is certainly possible to carry out a project looking at effects in real CMB data. Data in a fairly raw form are available from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) experiment, as well as several others. Precisely what you do with these data is entirely up to your imagination!

If you want to get involved in something more hardware related, then it ought to be possible to build a CMB detector using off-the-shelf components. The CMB is actually fairly bright at cm wavelengths (unlike the anisotropies, which are about a factor of 100,000 times fainter!). You'd need some directionality (so you can tell the CMB from the foreground signal which peaks in the Galactic Plane), and you have to have some method of measuring an "absolute" temperature.

Good luck!

At http://www.livejournal.com/users/vsevcosmos/11322498.html?thread=1410#t1410 a person claiming to be high school teacher George Peterson claims that "the microwave contributions from the moving wall of the Local Bubble, interacting with the interstellar medium, would produce a low temperature microwave hiss. This radiation, near blackbody, smooth to approximately one part in a hundred thousand, would have as its' temperature, a value of the order of ~ 2.79 Kelvins" and that "The entire CMB can be derived from this sole local effect."

Прислал vorleons"AT"hotmail.com 09/05

There are several things wrong with this.

First of all, one has to ask oneself, "why would someone be so desperate to find an alternative explanation, when the Big Bang picture naturally makes the CMB"?

When the CMB was first discovered the simplest explanation was that it was redshifted radiation from the hot early Universe. However, the constraints on the isotropy of the CMB and on its spectral shape were not very tight until well into the 1970s. So for about a decade it was perfectly reasonable to consider local alternatives for making this microwave background.

But now, 30 years later, we know that the CMB is isotropic to about 1 part in 100,000 (other than the dipole) and that it has about the best blackbody spectrum which has ever been measured.

Any idea which anyone has come up with to make the CMB locally has trouble with both of these properties. If you make the CMB from some radiating substance, then it will typically have either absorption or emission features, since complete thermal equilibrium is extremely hard to establish in today's Universe. And to make it isotropic you have to imagine some picture where, for example, there's a perfect sphere of material around us (with no variations at more than about the 1 part in 100,000 level) and that we're exactly in the centre and that whatever it's made of has no significant effect on our ability to see distant objects through it. Passing all of these stringent criteria is a very tall order!

But it's even worse than that, since we've now measured the anisotropies with very high precision, and they're exactly what we expect from the early low amplitude density variations of the sort we need to have grown all of the structure in the Universe.

So if you want to make the CMB through some local source, you also have to contrive for that source to give precisely the power spectrum of anisotropies which matches what the standard cosmological picture gives you!

As you already told, the theory of special relativity is based on the argument that there is no preferred rest system. Do you think that Einstein would have developed his theory if CMB were already discovered before 1905? For example: G. Smoot regarded the CMB explicitly as a 'new ether'. Would Einstein have denied the 'ether' if he had know about CMB?

Прислал helmuthansen"AT"t-online.de 09/05

This is an intriguing question. But I'm not sure I'd like to second-guess Einstein! (especially in this centenary year of Special Relativity etc.)

Since the existence of the CMB "rest frame" does not violate the Principle of Relativity (which was a central idea that Einstein came up with to tackle relativity), one would presume that the existence of the CMB would not have thrown him off track.

Incidentally, did George Smoot really say that the CMB is the new ether?!

I just heard on the radio that CBR is moving in a direction which is different to what you mentioned on your site. Which direction is it and why do you think this is?

Прислал jimidybobidybo"AT"hotmail.com 09/05

First of all, the CMB isn't moving in any particular direction, since all the photons that make it up are travelling at the speed of light from where they last scattered in the early Universe to wherever they're going, in every direction!

But we are moving through the sea of CMB photons, which we can detect through the dipole (i.e. half of the sky is brighter/hotter than the other).

There is no significance to the particular direction. Specifying the direction of our velocity vector obviously depends on what coordinate system you use - so you may see apparently different quantities which are really just the same thing in a different coordinate system. The actual direction of the vector also depends on what parts of out motion you take out. If you were to instantaneously measure the CMB dipole with an experiment on the Earth you'd have to consider at least the following list of contributors to the total velocity: any motion of your detector relative to the Earth; your rotation about the Earth's axis; the Earth's motion around the Sun; the Sun's motion relative to its neighbours (the "Local Standard of Rest"); the motion of this collection of stars around the centre of our Galaxy; the motion of our Galaxy relative to the centre of mass of the Local Group of galaxies; and the motion of the Local Group relative to larger scale structures.

So depending precisely which velocity is being talked about, it's easy to get apparently different quantities which are really the same thing in different reference frames.

If the universe was opaque until recombination because all the hydrogen and helium was ionized, and if the universe underwent reionization after the stars formed, why is the universe not opaque again?

Прислал fbaer"AT"c2i2.com 10/05

This is an excellent question!

The reason is that the amount of scattering just isn't enough.

The distance out to the epoch of reionization is obviously pretty far, but the Universe is also pretty darn empty. The dominant scattering is between the photons and free electrons (other processes have been considered, and are all negligible in comparison). If you calculate how much scattering you get out to (say) redshift 6, the answer is around 1 per cent. Out to a redshift of around 15 it has grown to about 10 per cent. And that's about as early as we think the Universe may have reionized. So we expect that as photons travelled through the intergalactic medium on their way to us, they found it to be about 10 per cent "optically thick". [The early Universe is so optically thick because the density was so high back then]

You may think that 10 per cent is no big deal, but in fact this effect is observable! In fact the extra scattering at low redshift partly suppresses the primordial anisotropies (because the scattering is isotropic), and it generates a large-angle polarization signal, which was detected by the WMAP satellite.

By measuring this very weak signal in more detail we'll be able to learn more about the epoch of reionization, which is really quite exciting!

After sending my questions, I thought about scattering some more. One thing that occurred to me, and which I believe is implicit in your answer, is that with expansion of the Universe, the distance between galaxies and such increases linearly with the expansion but the density of scattering electrons drops with the cube of the expansion. As expansion increases, photons travel further between objects but the number of electrons encountered decreases. In addition, some of those electrons that caused scattering prior to recombination are now in stars and other bodies.

Прислал fbaer"AT"c2i2.com 10/05

Exactly, you got it!

I have a question about the cosmic microwave background which I was hoping you could clear up. If we are moving towards the high-frequency-wavelength regions of the CMB (and are currently passing through the low-frequency-wavelength infrared region, on the electromagnetic spectrum) will we eventually pass through a part of the CMB with the same frequency as visible light? If so, what will the universe look like? Someone told me once that everything would appear white.

Прислал jharte"AT"wellesley.edu 10/05

I'm afraid your question is based on a misunderstanding (or alternatively, I don't understand your question, which is always possible!).

The CMB currently has a temperature of 2.725 Kelvin, with a peak wavelength in the microwave part of the electromagnetic spectrum. It has this same temperature everywhere in the Universe at the present time. It is getting colder as the Universe expands, and so the temperature everywhere is decreasing all the time. This decrease is pretty slow though, so you'll never be able to detect any difference in your lifetime.

You may be confusing things with the CMB "dipole", which is the fact that one side of the CMB sky is slightly hotter than the other (by about a few milliKelvin, i.e. about 0.003 Kelvin). That's caused by a Doppler shift because of our motion through space. Different observers elsewhere in the Universe will see different dipole directions and amplitudes, depending on their velocities. But you'd have to move at nearly the speed of light in order to detect close to visible light (in the direction to which you were moving) for the CMB.

I was able to see Stephen Hawking tonight at the San Jose CPA. Mighty cool. One thing I noticed, was when he showed a picture of the CMB, pointing out that it is not uniform, it kind of looked like a picture of the Earth. Has anyone investigated the various density patterns and similarities to continents? Could there be some parallels to continental drift and how the CMB drifted (expanded) into clusters? Just a strange thought that popped into my head as I was watching.

Прислал 11/05

I think any similarity to the Earth is because: (a) the whole sky is a sphere; and (b) certain choices for the colour table (e.g. green/blue) will look reminiscent of our "little blue marble".

In fact there are some important differences. The main one being that the features on the Earth's surface contain lots of sharp edges. In terms of fluctuations, this means that there has to be strong correlations between the phases (in other words if you make an image with lots of waves, you need the waves to have their steepest parts lining up to create sharp edges). The CMB sky, on the other hand, has very diffuse structures, with no sharp edges. And as far as we can tell the phases are pretty close to being as random as they can be. This is actually one of the clues that the CMB anisotropies may have been generated during an early period of cosmic inflation, with little subsequent development of their structure. This randomness of the phases is the main reason why your eye can't pick out much of interest in CMB maps - the useful information is contained in the variation of the temperatures as you change angular scale.

Вы писали: "фактически, ионы и электроны объединялись впервые, поэтому это возможно лучше назвать "комбинацией"". Думаю это не так: эпоха рекомбинации заняла время 50,000 лет или около того, в течение которого ионы и элекроны образовывали нейтральные атомы много раз. У каждого атома был свой момент, когда он рекомбинировал в последний раз, после того, как он в последний раз был ионизирован энергичным фотоном.

Прислал переводчик 12/05

Я думаю, это скорее терминологический, чем научный вопрос!

Когда астрономы говорят о рекомбинации, они обычно имеют в виду, что электроны, соединяются с ионами, чтобы создать нейтральный атом снова. В этом смысле тот космологический случай, на самом деле, не являлся рекомбинацией. Однако это, разумеется, верно, что отдельный атом образовывался и снова ионизировался во время космологического процесса рекомбинации.

Вы можете почерпнуть о деталях процесса рекомбинации больше подробностей, чем кто-либо мог ожидать узнать, из нашей статьи "Как в действительности Вселенная стала нейтральной?", которую Вы можете найти в виде pdf-файла [здесь].

Поверхность последнего рассеяния должна быть 4-мерной пространственно-временной поверхностью, разве нет? Это была вся Вселенная в течение некоторого времени. А это не такая поверхность, которую легко себе представить! Но с другой точки зрения, как Вы и пишете, поверхность или оболочка это то, что мы наблюдаем теперь. Однако это наша точка зрения и я полагаю, что первое представление является более верным.

Прислал переводчик 12/05

Я считаю, что поверхность последнего рассеяния это трехмерная оболочка, окружающая нас.

Вы правы, что то является чуть более точным, чем это. Однако в космологии обычным предположением является то, что все наблюдения имеют место в пределах "светового конуса прошлого", например мы можем видеть лишь то, что было время путешествия света лет назад. Поэтому более точно считать поверхность последнего рассеяния слоем нашего светового конуса прошлого, который является трехмерной сферой.

Главная | Уровень: Основной | Средний | Продвинутый | E-mail |

Douglas Scott dscottATastro.ubc.ca Последняя редакция: 15 Сентября 2005
..:: Перевел с английского В.Г. Мисовец