Astronomi

Mengapa Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik pada jarak yang sama tidak peduli arah yang kita lihat?

Mengapa Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik pada jarak yang sama tidak peduli arah yang kita lihat?

Saya telah membaca dari berbagai sumber bahwa:

CMB terlihat pada jarak 13,8 miliar tahun cahaya ke segala arah dari Bumi, membuat para ilmuwan menentukan bahwa ini adalah usia Semesta yang sebenarnya.

Dan itu membuat saya berpikir, jika ini benar, ada 2 kemungkinan skenario:

  • Ini sebenarnya bukan batas alam semesta yang sebenarnya, tetapi ini adalah yang terjauh yang dapat kita saksikan dengan teknologi kita yang sebenarnya.
  • Atau kita kebetulan menjadi pusat alam semesta, karena kita melihat "awal" darinya pada jarak yang sama tidak peduli arah yang kita lihat (yang menurut saya ini adalah anggapan bodoh)

Jadi, mengapa kita sebenarnya melihat CMB pada jarak yang sama tidak peduli ke arah mana kita melihat?


CMB terlihat pada jarak 13,8 miliar tahun cahaya ke segala arah dari Bumi, membuat para ilmuwan menentukan bahwa ini adalah usia Semesta yang sebenarnya.

Ini salah dalam beberapa hal. Pertama, kami memiliki alasan kuat untuk berpikir bahwa CMB diproduksi sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, tetapi itu tidak berarti jaraknya 13,8 miliar tahun cahaya. Cahaya ada di sini (begitulah cara kami mendeteksinya), dan materi yang memancarkan cahaya kira-kira berjarak 47 miliar tahun cahaya di era sekarang, jika model kosmologis kita benar.

Kedua, kita tidak menghitung usia alam semesta dari jarak ke CMB (atau materi yang memancarkannya). Kita tidak bisa melihat seberapa jauh jaraknya. Kami menghitung usia alam semesta dengan menyesuaikan model kosmologis dengan berbagai bukti (termasuk spektrum terperinci CMB), dan kemudian kami mengatakan bahwa CMB dipancarkan 13,8 miliar tahun yang lalu karena itulah yang disiratkan model tersebut.

Ketiga, CMB tidak berasal dari awal alam semesta - meskipun waktu dari big bang/akhir inflasi hingga emisi CMB (sekitar 380.000 tahun) jauh lebih kecil daripada waktu dari big bang hingga sekarang (sekitar 13,8 miliar tahun) bahwa ini membuat sedikit perbedaan.

Kita tidak berada di pusat alam semesta. Alam semesta hanya homogen (sama di mana-mana), dan cukup besar sehingga cahaya tidak memiliki cukup waktu untuk melintasinya sejak CMB dipancarkan. CMB yang kita lihat dari jarak yang sama ke segala arah karena semuanya menempuh waktu yang sama. Jadi skenario pertama Anda adalah yang benar.


29.4 Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik

Deskripsi beberapa menit pertama alam semesta didasarkan pada perhitungan teoretis. Namun, sangat penting bahwa teori ilmiah harus dapat diuji. Prediksi apa yang dibuatnya? Dan apakah pengamatan menunjukkan bahwa prediksi itu akurat? Salah satu keberhasilan teori beberapa menit pertama alam semesta adalah prediksi yang benar tentang jumlah helium di alam semesta.

Prediksi lain adalah bahwa tonggak penting dalam sejarah alam semesta terjadi sekitar 380.000 tahun setelah Big Bang. Para ilmuwan telah mengamati secara langsung seperti apa alam semesta pada tahap awal ini, dan pengamatan ini menawarkan beberapa dukungan terkuat untuk teori Big Bang. Untuk mengetahui apa tonggak sejarah ini, mari kita lihat teori apa yang memberitahu kita tentang apa yang terjadi selama beberapa ratus ribu tahun pertama setelah Big Bang.

Fusi helium dan lithium selesai ketika alam semesta berumur sekitar 4 menit. Alam semesta kemudian terus menyerupai bagian dalam bintang dalam beberapa hal selama beberapa ratus ribu tahun lebih. Itu tetap panas dan buram, dengan radiasi yang tersebar dari satu partikel ke partikel lainnya. Itu masih terlalu panas bagi elektron untuk "menetap" dan menjadi terkait dengan nukleus tertentu elektron bebas seperti itu sangat efektif dalam menyebarkan foton, sehingga memastikan bahwa tidak ada radiasi yang pernah sampai sangat jauh di alam semesta awal tanpa mengubah jalurnya. Di satu sisi, alam semesta seperti kerumunan besar tepat setelah konser populer jika Anda terpisah dari seorang teman, bahkan jika dia mengenakan tombol yang berkedip, tidak mungkin untuk melihat melalui kerumunan yang padat untuk menemukannya. Hanya setelah kerumunan menghilang, ada jalan bagi cahaya dari tombolnya untuk mencapai Anda.


Radiasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik

Masalahnya adalah dengan gambaran mental Anda, U sebagai materi yang meluas ke ruang kosong di sekitarnya.

Salah satu cara untuk mendapatkan gambar yang berbeda adalah dengan google "wright model balon" dan menontonnya. Ini adalah model mainan 2D dari ruang berkembang 3D jadi bayangkan bahwa semua keberadaan terkonsentrasi pada permukaan 2D itu.

Anda akan melihat galaksi-galaksi datar kecil berwarna putih tersebar di permukaan, semakin jauh terpisah tetapi selalu berada pada perkiraan lokasi (lintang dan panjang) yang sama di permukaan balon.

Anda akan melihat jentik-jentik kecil berwarna melintasi permukaan --- ini adalah foton cahaya.

Bayangkan menjadi makhluk 2D datar yang tinggal di salah satu galaksi. Jumlah cahaya yang Anda dapatkan rata-rata sama, dari segala arah. (Semua arah berada di permukaan balon, tidak ada ruang di sekitar "outside" atau "off" dari permukaan. Tidak ada pusat ekspansi yang Anda, sebagai makhluk 2D di dalamnya, U dapat mengarahkan jari 2D Anda.)

Bayangkan itu sama dengan kita, kecuali kita adalah makhluk 3D dalam ruang 3D. Ruang tidak memiliki tepi, tidak ada batas. Tidak ada yang "di luar". Tidak ada pusat ekspansi yang bisa kita tunjuk. Yang ada hanyalah ekspansi.

Maka cahaya kuno datang kepada kita dengan intensitas yang kira-kira sama dari segala arah.


=============================
Perhatikan bahwa foton "wriggler" dari cahaya mulai menjadi panjang gelombang pendek dan biru, dan saat permukaan bola 2D tempat mereka tinggal semakin besar, mereka sendiri meregang dan panjang gelombangnya lebih panjang. Artis/animator telah menekankan hal ini dengan membuat mereka berubah warna seiring bertambahnya usia, dari biru ke hijau ke kuning ke oranye ke merah.

Ini adalah cara "warna salah" untuk menarik perhatian pemirsa terhadap perubahan. Foton CMB nyata biasanya akan mulai, katakanlah, oranye kemerahan (cahaya 3000 Kelvin) dan secara bertahap memudar menjadi warna inframerah yang tidak dapat dilihat mata kita, dan secara bertahap mendapatkan gelombang yang lebih panjang dan lebih panjang hingga berada di radar milimeter oven microwave bagian dari spektrum, sehingga tidak ada warna yang terlihat. Animasi melambangkan bahwa dengan menunjukkan foton memiliki warna merah palsu.

Anda bisa mendapatkan banyak wawasan jika Anda menonton film sederhana 2 menit itu dengan cermat.
http://www.astro.ucla.edu/

wright/Balon2.html
Itu selalu tersedia jika Anda hanya google "wright model balon".


Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik: Penjelasan yang masuk akal (tetapi berbeda)?

Kebanyakan orang di sini tampaknya akrab dengan CMB. Apa itu?

Latar belakang gelombang mikro kosmik, dalam kosmologi Big Bang, adalah radiasi elektromagnetik yang merupakan sisa dari tahap awal alam semesta, juga dikenal sebagai "radiasi relik". CMB adalah radiasi latar belakang kosmik samar yang memenuhi semua ruang. Wikipedia

Jadi ide konvensional adalah bahwa CMB seperti flash sisa dari Big Bang. Apakah ada cara lain untuk menjelaskan CMB?

Satu kemungkinan melibatkan Entropi.

Entropi adalah apa yang menyeimbangkan Energi. Entropi adalah mengapa muatan yang sama tolak menolak, yang berlawanan menarik dan mengapa energi berpindah dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah.

Nyalakan lampu dan Energi memancar ke luar angkasa karena penyebaran Entropis. Sekarang hanya memperluas ide yang sama ke seluruh Semesta.

Jika Alam Semesta memiliki permulaan, dan jika ia tidak terbatas (karena terlihat mengembang) maka Entropi akan menyebarkan sejumlah Energi ke dalam volume ruang yang ada (yaitu Alam Semesta)

Karena Alam Semesta tidak terbatas , dan karena ada jumlah Energi yang bukan nol di dalamnya, pasti ada tingkat energi dasar yang bukan nol untuk Alam Semesta.

Energi ini akan menjadi radiasi di alam (yaitu foton energi rendah atau panjang gelombang energi cahaya yang sangat rendah).

Suhu sebenarnya dari latar belakang gelombang mikro kosmik adalah 2,725 Kelvin. Dan pada hanya 2,75 derajat tentang nol mutlak, CMB dapat mewakili ruang bawah tanah Entropic Energy Alam Semesta.

Energi menyebar dari waktu ke waktu membutuhkan waktu. Anda mungkin dapat menggunakan suhu CMB sebagai cara lain untuk mengetahui usia Alam Semesta.


Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik: Penjelasan Peninggalan Big Bang (Infografis)

Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik, atau CMB, adalah radiasi yang memenuhi alam semesta dan dapat dideteksi ke segala arah. Gelombang mikro tidak terlihat dengan mata telanjang sehingga tidak dapat dilihat tanpa instrumen. Dibuat tak lama setelah alam semesta muncul dalam Big Bang, CMB mewakili radiasi paling awal yang dapat dideteksi. Para astronom menyamakan CMB dengan melihat sinar matahari menembus langit yang mendung.

Melihat ke luar angkasa, dan karena itu kembali ke waktu yang dalam, para astronom melihat radiasi CMB mulai memenuhi ruang angkasa sekitar 378.000 tahun setelah Big Bang. Sebelum penciptaan CMB, alam semesta adalah plasma panas, padat, dan buram yang mengandung materi dan energi. Foton tidak dapat bergerak bebas, jadi tidak ada cahaya yang lolos dari masa-masa sebelumnya.

CMB diciptakan pada suatu waktu dalam sejarah kosmik yang disebut Era Rekombinasi. Alam semesta telah mendingin hingga suhu sekitar 5.000 derajat Fahrenheit (2.700 derajat Celcius), cukup dingin untuk elektron dan proton untuk &ldquorecombine&rdquo menjadi atom hidrogen. Foton dilepaskan, dan hari ini radiasi ini disebut CMB. [Gambar: Mengintip Kembali ke Big Bang & Awal Semesta ]

Pada tahun 1963, Arno Penzias dan Robert Wilson mempelajari sinyal gelombang mikro yang redup dari galaksi Bima Sakti. Mereka menemukan suara misterius yang tidak diketahui asalnya.

Pada mulanya suara tersebut diduga merupakan gangguan yang disebabkan oleh kotoran burung merpati pada peralatan antena. Merpati dijebak dan kotoran dibersihkan dari antena. Akhirnya Penzias dan Wilson menyadari bahwa suara itu adalah sinyal yang sebenarnya.

Pada pertengahan abad ke-20, ada dua teori yang bersaing untuk asal usul alam semesta. Teori Steady State menyatakan bahwa materi terus menerus diciptakan saat alam semesta mengembang, kepadatan keseluruhan alam semesta tetap sama, dan alam semesta telah ada selamanya. Teori Big Bang menyatakan bahwa alam semesta yang mengembang pasti lebih padat di masa lalu, dan oleh karena itu pada awalnya pasti merupakan titik dengan kepadatan tak terbatas.

Penzias dan Wilson berteori bahwa jika teori Big Bang benar, alam semesta akan dipenuhi dengan radiasi latar yang tersisa dari peristiwa penciptaan. [Alam Semesta: Big Bang hingga Sekarang dalam 10 Langkah Mudah ]

Dalam gambar seluruh langit dari radiasi CMB, belahan bumi selatan tampak lebih merah, oleh karena itu sedikit lebih hangat, daripada belahan bumi utara Sebuah "titik dingin" di belahan bumi selatan tampak lebih besar dari yang diperkirakan. Model standar teori Big Bang memprediksi bahwa radiasi CMB akan terlihat hampir sama di segala arah.

CMB juga memberikan wawasan tentang komposisi alam semesta secara keseluruhan. Sebagian besar alam semesta terdiri dari energi gelap, kekuatan misterius yang mendorong percepatan perluasan alam semesta. Bahan terbesar berikutnya adalah materi gelap, yang hanya berinteraksi dengan alam semesta lainnya melalui gravitasinya.

Materi normal, termasuk semua bintang, planet, dan galaksi yang terlihat, membentuk kurang dari 5 persen dari total massa alam semesta.


Asal Usul Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik

Salah satu pengamatan mendalam abad ke-20 adalah bahwa alam semesta mengembang. Ekspansi ini menyiratkan alam semesta lebih kecil, lebih padat dan lebih panas di masa lalu. Ketika alam semesta terlihat adalah setengah dari ukuran sekarang, kepadatan materi delapan kali lebih tinggi dan latar belakang gelombang mikro kosmik dua kali lebih panas. Ketika alam semesta terlihat adalah seperseratus dari ukurannya sekarang, latar belakang gelombang mikro kosmik seratus kali lebih panas (273 derajat di atas nol mutlak atau 32 derajat Fahrenheit, suhu di mana air membeku untuk membentuk es di permukaan bumi). Selain radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik ini, alam semesta awal dipenuhi dengan gas hidrogen panas dengan kerapatan sekitar 1000 atom per sentimeter kubik. Ketika alam semesta yang terlihat hanya seperseratus juta ukurannya saat ini, suhunya adalah 273 juta derajat di atas nol mutlak dan kerapatan materi sebanding dengan kerapatan udara di permukaan bumi. Pada suhu tinggi ini, hidrogen sepenuhnya terionisasi menjadi proton dan elektron bebas.

Karena alam semesta sangat panas sepanjang sebagian besar sejarah awalnya, tidak ada atom di alam semesta awal, hanya elektron dan inti bebas. (Inti terbuat dari neutron dan proton). Foton latar belakang gelombang mikro kosmik dengan mudah menyebar dari elektron. Jadi, foton mengembara melalui alam semesta awal, seperti cahaya optik mengembara melalui kabut tebal. Proses hamburan berganda ini menghasilkan apa yang disebut spektrum foton “termal” atau “benda hitam”. Menurut teori Big Bang, spektrum frekuensi CMB seharusnya memiliki bentuk benda hitam ini. Ini memang diukur dengan akurasi yang luar biasa oleh eksperimen FIRAS pada satelit COBE NASA.

Gambar ini menunjukkan prediksi teori Big Bang untuk spektrum energi radiasi latar gelombang mikro kosmik dibandingkan dengan spektrum energi yang diamati. Secara khusus pengukuran dibuat dari kecerahan permukaan per satuan interval frekuensi (𝛪𝜈), bukan 𝛪𝜆 - yang merupakan interval panjang gelombang per satuan. Eksperimen FIRAS mengukur spektrum pada 34 titik dengan jarak yang sama di sepanjang kurva benda hitam. Bilah kesalahan pada titik data sangat kecil sehingga tidak dapat dilihat di bawah kurva prediksi pada gambar! Belum ada teori alternatif yang diusulkan yang memprediksi spektrum energi ini. Pengukuran akurat dari bentuknya adalah ujian penting lain dari teori Big Bang.


Apa yang Ditemukan Studi

Studi baru ini meneliti 313 gugus galaksi. Gugus galaksi adalah sekelompok galaksi yang terikat secara gravitasi. Gugus galaksi mungkin berisi seribu atau lebih individu, galaksi besar, dengan masing-masing galaksi berisi beberapa ratus miliar bintang. Jelas, ini adalah struktur besar. Di antara galaksi-galaksi dalam sebuah cluster terdapat banyak gas panas. Media intracluster ini biasanya berisi sepuluh kali massa bintang-bintang di dalam galaksi dalam sebuah cluster. Media intracluster sangat panas (suhu 10–100 juta Kelvin) sehingga memancarkan sinar-X dalam jumlah besar. Karena sinar-X tidak menembus atmosfer bumi, para astronom bahkan tidak tahu tentang medium intracluster sampai sekitar setengah abad yang lalu ketika teleskop sinar-X diletakkan di atas atmosfer bumi untuk pertama kalinya. Saat ini, sumber sinar-X secara rutin diamati dengan teleskop sinar-X yang mengorbit.

Emisi sinar-X inilah yang memungkinkan studi baru ini. Relatif mudah menggunakan pengamatan sinar-X untuk mengukur suhu, T, dan total emisi sinar-X dari gas intracluster dari sebuah cluster galaksi. Jika kita mengetahui jarak ke gugus galaksi (biasanya dari penerapan hukum Hubble ke pergeseran merah gugus galaksi), maka emisi sinar-X yang diukur dapat diubah menjadi luminositas sinar-X yang dikalibrasi, LX. Para astronom telah menemukan bahwa ada korelasi erat antara LX dan T.

Studi saat ini menunjukkan bahwa beberapa kluster galaksi berangkat secara signifikan dari LX–T hubungan, dan bahwa keberangkatan sangat tergantung pada lokasi di langit. Para peneliti menggabungkan data baru mereka pada 313 kluster galaksi hasil dua penelitian sebelumnya sehingga total sampel menjadi 842 kluster galaksi. Penulis makalah membahas dua kemungkinan alasan untuk keberangkatan yang bergantung pada arah ini dari LX–T hubungan untuk cluster galaksi dalam sampel mereka dan menghilangkannya. Ini meninggalkan kemungkinan bahwa keberangkatan yang diamati mungkin nyata.

Jika keberangkatan itu nyata, apa artinya ini? Jawaban yang paling mungkin adalah bahwa luminositas sinar-X yang dikalibrasi salah. Jika luminositas sinar-X salah, itu karena jarak yang digunakan untuk mengkalibrasinya salah. Tapi jarak itu berasal dari asumsi pemuaian seragam ke segala arah, jadi penyimpangan ini dari LX–T hubungan menunjukkan bahwa perluasan alam semesta tidak seragam ke segala arah. Artinya, alam semesta tidak isotropik. Kesimpulan ini konsisten dengan beberapa penelitian sebelumnya, meskipun kesimpulan dari penelitian saat ini lebih kuat.


Perjalanan Foton Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik yang Diamati

Jika Anda mengubah koordinat, Anda akan mendapatkan grafik linier jika Anda menginginkannya. Tidak ada signifikansi fisik dalam grafik seperti itu. Ini tentu saja tidak, dengan cara apa pun yang berarti, mewakili perjalanan cahaya di jalur "berbentuk busur".

Pada dasarnya sebuah objek yang dipercepat dalam garis lurus memiliki grafik jarak vs waktu melengkung - tetapi masih bergerak dalam garis lurus.

Ini adalah deskripsi jalur cahaya melalui ruang-waktu, bukan ruang.

Jika kita berbicara tentang jalur melalui ruang, maka ada beberapa kemungkinan "jalur melalui ruang" tergantung pada bagaimana "ruang" didefinisikan dan bagaimana "waktu" didefinisikan (karena "jalur melalui ruang" adalah posisi objek di "ruang" sebagai fungsi "waktu". Masing-masing dari tiga grafik dalam makalah Davis dan Lineweaver menunjukkan bentuk kerucut cahaya masa lalu yang berbeda karena definisi "ruang" yang berbeda dan definisi "waktu" yang berbeda. Salah satu bentuk itu memang "berbentuk busur", jadi menurut saya kurang tepat untuk mengatakan bahwa deskripsi semacam itu tidak "berarti". Ini sama "berarti"nya dengan deskripsi dua bentuk lainnya. Tak satu pun dari bentuk-bentuk itu yang "" unik "jalur menembus ruang" dari sinar cahaya, tapi itu karena tidak ada yang namanya "jalur menembus ruang" unik dari apa pun di GR, karena tidak ada pemisahan unik dari ruangwaktu ke "ruang" dan "waktu" yang selalu ada jumlah tak terbatas cara yang mungkin untuk melakukan itu.


5 Fakta yang Mungkin Belum Anda Ketahui Tentang Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik

"Ilmu pengetahuan tidak dapat memberi tahu teologi bagaimana membangun doktrin penciptaan, tetapi Anda tidak dapat membangun doktrin penciptaan tanpa memperhitungkan usia alam semesta dan karakter evolusi sejarah kosmik." -John Polkinghorne

Di luar sana, di luar angkasa, apakah kita melihat dengan mata kita atau dengan teleskop -- versi mata kita yang jauh lebih kuat -- kita menemukan bahwa Alam Semesta penuh dengan bintang, galaksi, gugusan, dan objek bercahaya ke mana pun kita memandang.

Tetapi jika kita melihat dalam panjang gelombang cahaya yang berbeda dari apa yang dapat dilihat mata kita, kita akan melihat Semesta dalam cahaya yang sama sekali baru, secara harfiah. Sinar-X menunjukkan kepada kita di mana lubang hitam, bintang neutron, dan gas ultra-panas, sinar ultraviolet menunjukkan kepada kita bintang termuda dan terpanas di Semesta, inframerah dekat menunjukkan kepada kita bintang yang lebih dingin dan transparan untuk semua kecuali atom netral terpanas yang biasanya menghalangi cahaya tampak, sedangkan inframerah jauh menunjukkan kepada kita gas dan debu yang hangat dan dingin, termasuk lokasi bintang masa depan.

Tetapi jika Anda melihat di gelombang mikro bagian dari spektrum, Anda melihat sesuatu yang, mungkin, sedikit tidak terduga. Anda lihat, jika Anda melihat ke dalam, katakanlah, inframerah, apa yang akan Anda lihat sepenuhnya didominasi oleh kelompok lokal: galaksi kita, bintang-bintang di dalamnya, dan galaksi-galaksi terdekat dengan kita.

Jika Anda cukup pintar untuk mengurangi sumber-sumber lokal tersebut dari peta langit Anda, apa yang akan Anda temukan adalah banyak sumber titik yang memamerkan struktur Semesta: galaksi, gugusan, dan filamen yang terletak di luar lingkungan galaksi kita sendiri. Ketika Anda melihat gambar seperti di bawah ini, kita sedang melihat peta struktur kosmos berskala besar.

Tetapi bagaimana jika kita melihat dalam panjang gelombang gelombang mikro? Alih-alih melihat struktur kaya yang menunjukkan kepada kita sumber titik, galaksi, lubang hitam, gas, debu, atau sesuatu seperti ini, apa yang kita lihat -- setelah kita mengurangi galaksi kita -- adalah ini.

Percaya atau tidak, itulah gambaran alam semesta kita dalam panjang gelombang gelombang mikro. Langit gelombang mikro menunjukkan kepada kita radiasi suhu 2,725 Kelvin yang sama ke segala arah di langit, peninggalan sisa dari Big Bang yang panas ketika Alam Semesta kita hanya 0,0027% dari usianya sekarang! Sebagai perspektif, jika Semesta diskalakan menjadi tepat satu tahun panjangnya, sehingga sekarang adalah 11:59 PM pada tanggal 31 Desember, ini adalah gambaran dari apa yang tampak seperti Semesta pada 12:14 pada tanggal 1 Januari!

Dan ini adalah gambar dari fluktuasi di latar belakang gelombang mikro kosmik, atau perbedaan suhu di berbagai wilayah langit. Hanya beberapa ratus mikrokelvin pisahkan daerah terpanas dari yang terdingin di sini, dengan daerah terdingin (paling biru) sebenarnya menunjukkan kepada kita daerah ruang dari 13,82 miliar tahun lalu yang memiliki sedikit lebih banyak materi (dan karenanya sumur gravitasi yang lebih dalam bagi foton untuk memanjat keluar, membuat mereka tampak lebih dingin) dari rata-rata, sedangkan daerah paling merah (terpanas) adalah daerah yang paling tidak padat.

Itulah yang kita lihat ketika kita melihat Semesta dalam panjang gelombang gelombang mikro: Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB). Tapi bahwa itu semua latar belakang: berikut adalah 5 fakta tentang CMB yang mungkin tidak Anda ketahui, bahkan jika Anda seorang ahli astrofisika profesional!

1.) Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik sebenarnya meluas jauh ke spektrum inframerah dan radio!

Angka yang sesuai dengan suhu CMB -- 2,725 K -- adalah energi foton (diubah menjadi suhu melalui konstanta Boltzmann) dari puncak dari radiasi ini. Tetapi foton-foton di Semesta berasal dari pemandian air panas, di mana materi, radiasi, dan segala sesuatu lainnya dari Semesta muda terus-menerus bertabrakan dengan setiap partikel lain yang dilihatnya, bertukar energi dan termal. Ini menghasilkan spektrum yang sangat khusus untuk radiasi, yang dikenal sebagai spektrum benda hitam. Setiap foton di Semesta mendingin saat Semesta mengembang dan meregangkan panjang gelombang masing-masing, tetapi bentuk spektrum ini tetap ada!

Foton mungkin masih puncak dalam microwave, tetapi mereka memainkan peran dalam inframerah -- khususnya pada panjang gelombang lebih panjang dari sekitar 300 mikron -- di seluruh rentang gelombang mikro dan sampai ke radio, di mana panjang gelombang seukuran tangan Anda!

2.) Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik adalah "permukaan" yang tebalnya lebih dari 100.000 tahun cahaya!

Foton CMB menabrak elektron dan proton bebas sepanjang waktu, kapan pun mereka melihatnya. Setelah Semesta cukup dingin sehingga atom menjadi netral, sebagian besar foton ini sekarang mengalir bebas selama 13,8 miliar tahun ke depan, sampai mereka bertemu dengan sesuatu seperti detektor kita. Tapi Semesta tidak menjadi netral sekaligus inti dan elektron telah menemukan satu sama lain selama ratusan ribu tahun, hanya untuk diledakkan oleh foton energi yang cukup tinggi! Ketika cukup waktu telah berlalu dan latar belakang foton sudah cukup dingin, tabrakan seperti ini menjadi semakin jarang, dan akhirnya, Semesta cukup dingin sehingga foton akan mengalir bebas sampai ke mata Anda. Itu sebabnya CMB kadang-kadang disebut "permukaan hamburan terakhir".

Hanya saja, itu tidak cukup permukaan ke segala arah: dibutuhkan sekitar 117.000 tahun cahaya bagi Semesta untuk berubah dari keadaan terionisasi sepenuhnya ke keadaan netral sepenuhnya, dan foton yang kita lihat berasal dari berbagai titik berbeda di sepanjang jalan ke segala arah.

Tapi ada sesuatu yang luar biasa tentang CMB yang kita lihat hari ini.

3.) Itu hanya menjadi netral ketika itu terjadi karena rasa ingin tahu kimia!

Gambaran sederhana yang saya sajikan kepada Anda -- latar belakang foton berenergi tinggi yang mendingin saat Semesta mengembang -- akan menjelaskan mengapa atom menjadi netral dan CMB muncul sebagai "permukaan" kasar meskipun memiliki ketebalan terbatas. Tetapi pikirkanlah: setiap kali Anda membentuk atom netral, ia memancarkan foton, yang kemudian dapat menjadi terserap oleh atom netral lain, mengionisasinya lagi! Tentu, akhirnya Semesta akan cukup mengembang sehingga kita mendapatkan permukaan hamburan terakhir kita, tetapi permukaan itu akan menjadi banyak lebih tebal dari 117.000 tahun cahaya jika ini adalah efek dominan.

Sebenarnya, ada efek lain yang jauh lebih penting!

Ketika elektron dalam hidrogen dan helium -- yang membentuk 99,999999% Alam Semesta pada saat ini -- bertransisi ke keadaan dasar, mereka tidak hanya memancarkan satu foton, tapi dua! Ini membuat semua perbedaan daripada bepergian sampai mereka menabrak atom lain, menendangnya ke tingkat energi yang lebih tinggi, Anda akan membutuhkan dua foton untuk mengenai pada waktu yang sama persis, sesuatu yang sangat langka sehingga secara efektif tidak pernah terjadi dalam fisika! Hanya karena adanya transisi atom inilah Semesta menjadi netral secepat itu.

Suatu hari, jauh di masa depan, titik-titik dingin akan tumbuh menjadi wilayah yang lebih kaya akan bintang, galaksi, dan gugusan (rata-rata), sedangkan titik panas akan tumbuh menjadi wilayah yang kurang padat, dengan jumlah di bawah rata-rata dari semua hal tersebut. Tapi.

4.) Titik panas dan dingin yang Anda lihat di CMB hari ini sama sekali tidak berhubungan dengan semua struktur di Alam Semesta!

Karena permukaan hamburan terakhir memiliki ketebalan sekitar 117.000 tahun cahaya, itu berarti dengan berlalunya waktu, struktur itu perubahan! Faktanya, permukaan hamburan terakhir akan terlihat sangat berbeda 117.000 tahun dari sekarang, jika kita masih ada untuk melihatnya. Struktur yang kita lihat di Alam Semesta telah berevolusi dari jaringan kosmik besar dari fluktuasi benih awal, yang tersebar di seluruh Alam Semesta. Tapi struktur yang kita lihat sini terkait dengan tampilan CMB miliaran tahun lalu, tidak CMB yang kita lihat hari ini!

Tentu, sejauh yang kami tahu, CMB akan terlihat berbeda hanya secara detail dan distribusi spektrum fluktuasi tidak dapat dibedakan terlepas dari kapan kami melihatnya.

Tapi spektrum ini memberi tahu kita satu hal terakhir, sangat, sangat menarik.

5.) Ada batas bawah ukuran struktur yang terikat secara gravitasi di Semesta!

Karena adanya foton di alam semesta awal, fluktuasi awalnya besar large dicuci dari waktu ke waktu, dan menjadi lebih kecil dan lebih kecil dalam skala yang lebih kecil dan lebih kecil. Massa terendah yang dapat eksis dalam struktur terikatnya sendiri saat ini berada pada urutan beberapa ratus ribu massa matahari. Jika semua ini dalam bentuk materi normal.

Kami akan mendapatkan gugus bola, atau koleksi sekitar 100.000 bintang ke atas! Kita melakukan dapatkan banyak dari mereka, tetapi ingat, Semesta juga penuh dengan materi gelap. Jadi kami berharap untuk juga dapatkan struktur yang didominasi oleh materi gelap ini, di mana -- setelah ledakan kecil pembentukan bintang -- hanya sejumlah kecil bintang yang tersisa.

Alam Semesta, menurut pemahaman kita tentang fisika yang kembali ke masa ketika Alam Semesta baru berusia beberapa ratus ribu tahun, seharusnya tidak hanya diisi dengan gugus bola, tetapi juga struktur kecil yang didominasi materi gelap dengan hanya sekitar 1.000 bintang atau bahkan lebih sedikit! Untung ini tahun 2013 dan bukan 2005, karena kami telah menemukannya!

Dengan hanya sekitar 1.000 bintang dalam struktur yang mengandung 600.000 massa matahari (sebagian besar materi gelap, tentu saja), Segue 1 adalah yang pertama ditemukan, dan sekarang ada yang lain! Ini tepat di sekitar apa yang diprediksi, dan ini memberi tahu kita bahwa kemungkinan ada ratusan hingga puluhan ribu di sekitar setiap galaksi.

Semua itu berasal dari fisika yang mendasari latar belakang gelombang mikro kosmik, dan sekarang Anda tahu!

Lebih seperti ini

@Ethan - gambar kelima Anda (plot COBE "datar" 53 GHz) sedikit curang. Faktanya, data COBE "mentah" didominasi oleh dipol yang diinduksi oleh gerakan kita melalui alam semesta (http://apod.nasa.gov/apod/ap090906.html). Data tidak menunjukkan "radiasi suhu 2,725 Kelvin yang sama ke segala arah," tetapi lebih hangat ke arah gerakan kita, dan sebaliknya lebih dingin. Angka kelima Anda adalah hasil dari koreksi untuk ("meningkatkan") gerakan dipol itu.

Fakta ini setidaknya sama menariknya dengan spektrum benda hitam yang sempurna: Ada kerangka acuan alami di mana Semesta diam, dan kita dapat mengukur gerakan relatif kita sendiri melaluinya.

Itu benar, mungkin saya seharusnya membuat daftar 6 item yang panjang dan memasukkannya ke dalam!

Tidak ada chemistry di #3. Tidak ada ikatan = tidak ada kimia

Saya tidak melihat relevansi poin # 3, yang mungkin ada hubungannya dengan aturan pemilihan dalam transisi keadaan atom, dalam cerita CMB. Benar, dengan tidak adanya tumbukan, Anda memerlukan dua foton untuk transisi antara keadaan 1s dan 2s dari atom mirip hidrogen, atau dari 1s^2 ke 1s2s dalam helium netral, karena dengan proses foton tunggal dan tanpa tumbukan, nilai yang diizinkan dari L adalah +1 dan -1. Tapi itu tidak membantu Anda dengan foton yang cukup energik untuk mengionisasi atom Anda, karena aturan seleksi tidak berlaku di sana (elektron dapat membawa momentum sudut foton). Atom hidrogen 2s sama netralnya dengan atom hidrogen 1s, hanya saja tidak dalam keadaan dasar. Lebih lanjut, peringatan "tidak ada tumbukan" sangat penting, karena ketika Anda benar-benar bertabrakan, benda lain dapat menyerap kuantum momentum sudut. Kita tahu ini terjadi karena garis alfa Lyman, dan persamaannya untuk He+, diamati.

"Tapi itu tidak membantu Anda dengan foton yang cukup energik untuk mengionisasi atom Anda"

Seperti halnya produksi pasangan, di mana dua foton dibuat, ketika Anda membagi energi Anda menjadi dua foton, foton yang dihasilkan menjadi tidak mampu menjaga reaksi berlangsung dengan sendirinya.

Oleh karena itu, Anda memerlukan foton dan kerapatan atom yang cukup tinggi sehingga peluang tumbukan dalam waktu relaksasi atom tereksitasi (yang lebih pendek untuk keadaan yang lebih energetik, yang hanya memerlukan dua foton untuk mengatur agar terionisasi) lebih tinggi dari 1.

Jika kurang dari 1, Anda mendapatkan peluruhan logaritmik dari potensi pengion alam semesta.

Dan karena membagi energi, ia memotong jauh lebih cepat daripada pengurangan linier elektron bebas energik yang memancar ketika ditangkap lagi.

Seperti halnya produksi pasangan, di mana dua foton dibuat, ketika Anda membagi energi Anda menjadi dua foton, foton yang dihasilkan menjadi tidak mampu menjaga reaksi berlangsung dengan sendirinya.

Tapi itu mengasumsikan bahwa Anda benar-benar membutuhkan dua atau lebih foton untuk melakukan transisi. Yang benar untuk transisi ns -> n, tetapi ada beberapa kasus di mana ini tidak benar. Ada satu di diagram yang ditunjukkan Ethan: beralih dari status berlabel 1s5p (saya menduga ini salah ketik dan seharusnya 1s2p) ke 1s^2 di atom helium netral. Transisi seperti itu, atau np -> n dalam atom mirip hidrogen, dapat dilakukan dengan satu foton karena L = -1, seperti yang ditunjukkan gambar. Demikian juga dengan menangkap elektron bebas: selama Anda memiliki L +1 atau -1, Anda dapat melakukannya dengan memancarkan satu foton. Mungkin sebagian besar penangkapan elektron melibatkan nilai L yang berbeda, tetapi Ethan tidak mengatakan ini di postingan.

Apa yang mungkin lebih penting adalah bahwa pada titik tertentu populasi foton pengion Anda habis karena pergeseran merah. Once the mean free path of ionizing photons becomes long enough, some fraction of the photons emitted when a nucleus captured an electron are no longer energetic enough in the frame of an atom they encounter to ionize that atom. So instead, if it's at one of the right energies, it kicks the electron from an s state to a p state, or from a p state to either an s state or a d state. You also need a long enough mean free path for the atoms so that they don't de-excite by collision, where as I said the other atom can carry off the extra angular momentum. Only then do multi-photon pathways become important.

Doesn't exist any Big Bang.

It isn't that you require the transition to occur between the different ns states (and 2s --> 1s is the dominant process, although others may play a role at up to the

1% level), but that when a 2s --> 1s transition happens, there's no substantial back-reaction.

Yes, the 2p --> 1s transition is more common than the 2s --> 1s, but it's not a 100%/0% split. So even if this occurred just one out of a hundred times, or one out of a million, eventually, it will occur, and when it does, you've just made a net gain of one neutral atom. And this occurs frequently enough that this is by far the dominant way that neutral atoms form in the Universe during recombination.

For a little more on the theoretical background of this, you might want to check out the Lamb Shift: http://en.wikipedia.org/wiki/Lamb_shift

"But that assumes that you actually require two or more photons to make a transition. "

Which is true for all photons that were emitted by a transition that emits two photons. Every time those transitions occur, those photons are no longer capable of re-exciting another atom on their own. You can throw in a multiplier to account for the proportion of interactions that involve those transitions, and it won't change that you're losing potentially-ionizing energy at a logarithmic rate.

Obviously the universe has to cool to a certain point for this effect to matter, and obviously the universe would have eventually cooled to the point where the atoms would have become neutral anyway. However that point would have been much later if all the helium and hydrogen transitions emitted single photons. This is the point.

Ethan: I didn't "get" fact 5, and wonder if the dark-matter inference sounds a bit of a stretch. Segue1 appears to contain a lot of "primordial" stars and hardly any neutral hydrogen. Couldn't the dark matter be non-luminous ordinary matter?

And what about fact 6? You hinted at it in fact1. The CMBR has redshifted by a factor of about a thousand. A long-wavelength photon has less energy than a short-wavelength photon. So, given that conservation of energy holds good as far as we know: where's the energy gone?

@Michael Kelsey re #1: I like the "natural" reference frame. Particularly since the universe is as absolute as it gets!

Getting scooped by Ethan is the best. :)

If someone might explain this to me: what is the meaning of saying that the surface of last scattering is 100,000 lightyears "thick"? Is that the same as saying it took 100,000 years from the beginning of last-scattering to the end of last-scattering? So it's 100,000 YEARS thick? Is this a stupid question?

I had not heard of the dipole that Michael mentions in his comment. I thought that Relativity ruled out all fixed reference frames.

I would like to learn more about this. Would you consider doing a post on it or putting up some layman level links?

I understood small parts of this. The real sweet spot for me was #4 where I learned an answer to a question I had for a long time. The CMB pattern does not correspond to large scale structures in the universe today. That gave me closure. Terima kasih.

@StellarAsh re #14: google on CMB dipole anisotropy. Relativity doesn't rule out a "universal reference frame" at all. Remember that Einstein's greatest blunder involved a static universe that would have provided a different sort of universal reference frame.

The CMB Dipole is definitely a good topic for down the road here. I've got something else I want to write about today, but I'll definitely put it in the ol' mental incubator. When it's fully baked, maybe in a week or two, you'll get your wish.

You do NOT confuse an incubator with an oven!

(I was in an incubator for two months. Gas mark 3, I think. :-))

The Relativity Principle that Einstein's theories are based on states that the laws of physics have the same mathematical formulation in any reference frame (non-accelerating in the Special case, any reference frame at all in General).

You may have heard this referred to as "There is no 'privileged' reference frame", but this is a very specific meaning of "privileged" which means that there isn't any singular frame where the laws of physics only have to apply to it.

The classic example is the conundrum with Maxwell's equations which said the speed of light in a vacuum was constant, which conflicted with Newtonian mechanics which said that velocities add linearly. The Aether was proposed as the singular reference frame in which Maxwell's equations would apply as written. You would only ever get the right answer for an experiment by accounting for your motion relative to the Aether.

In the Relativistic world, Maxwell's equations apply everywhere, the speed of light is constant relative to you, and you can always consider the reference frame in which you conduct your experiment to be motionless (or moving at a fixed velocity) and it makes no difference.

There can of course still be "special" reference frames in the more human sense of being of particular interest or usefulness. That's fine. As long as we are able to consider ourselves to be at rest, and the rest of the universe moving relative to us, and still get the same answers. Which we are. So everything is cool.

This is a little off the subject, but supposedly in the MB they can see the evidence of the so called "dark flow" of a large number of galaxies toward the visible edge of the universe, any ideas of what could be the cause?

How do we know that the 600k solar mass cluster contains mostly dark matter and not, say, a supermassive black hole and 1000 stars? Is this supported by other unrelated observations or just assumed because it aligns with a model?

The motions of the visible stars will show the concentration of matter radially through the cluster. If the matter does not constrain itself to a virtual point then it isn't a supermassive black hole

Which is to say that why yes it "just" aligns with a model, and doesn't align with others.

Alignment with a model proves nothing alone. Observational evidence ruling out all other known models is much more compelling. Ethan has written a number of convincing articles explaining why the existence of DM is the only known explanation for a large set of independent observations. This is the essence of my question. Are their other plausible explanations that cannot yet be discarded through observational evidence?

With a statement like "mostly dark matter, obviously", I would assume that the answer is "yes" to those familiar with the literature, but experience has taught me that any assertion connected to "obviously" is worth additional questioning.

It proves that the model is good enough to describe reality.

And if observational evidence is against a supermassive black hole, the that proves your model incorrect.

Alignment (or not) with a model is all you ever "prove" in science. But "are there other models that aren't ruled out" is a fair question. They observed the velocities of the stars in the mini-galaxy, and that rules out things that don't act like a diffuse source of gravity.

It would be interesting if any of the modified gravity theories have been applied to this object. I wouldn't be too surprised if they work since there are plenty of other galaxies where they can't be ruled out, but on the other hand, maybe it doesn't track the changing dark/visible matter ratio. DM has an explanation for why as total (apparent) mass gets smaller, the dark/visible ratio gets bigger.

Polkinghorn, that buffoon, really? Oy.

". the regions of space from 13.82 billion years ago that have slightly more matter (and hence a deeper gravitational well for the photons to climb out of, making them appear colder) than average, while the reddest (hottest) regions are the least dense regions."

The bit in parenthesis was very enlightening. good post sir!

2014 is the 50th anniversary of the discovery of cosmic microwave background radiation, that pay foundation to the Big Bang theory. Arno Allan Penzias and Robert Wilson were the scientists behind the find.

Donate

ScienceBlogs is where scientists communicate directly with the public. We are part of Science 2.0, a science education nonprofit operating under Section 501(c)(3) of the Internal Revenue Code. Please make a tax-deductible donation if you value independent science communication, collaboration, participation, and open access.

You can also shop using Amazon Smile and though you pay nothing more we get a tiny something.


Ask Ethan #10: Why is the Universe the same everywhere?

"One of the most tragic things I know about human nature is that all of us tend to put off living. We are all dreaming of some magical rose garden over the horizon instead of enjoying the roses that are blooming outside our windows today." -Dale Carnegie

Our new Ask Ethan segment has been really popular, and the questions and suggestions keep pouring in. It's your Universe too, and if there's something you want to know about it, you should ask! (So keep it up!) This week's question is one of the biggest of them all, and it comes courtesy of John L. Ferri, who asks,

I have a difficult time understanding cosmic inflation and the horizon problem. I think you covered it once before, but more detail may help my confusion.

Let's back up to the beginning, to put this in some context.

This is your Universe. It goes on as far as the most powerful telescopes ever devised can see in all directions, finding tens of thousands of galaxies located tens of billions of light years away everywhere we've ever looked. On the largest scales, it's roughly the same -- the same densities, temperatures, star-and-galaxy types, metallicities, etc. -- no matter where we attempt to look. The biggest difference we've found is that the farther away we look, the younger the things we're looking at appear to be, and the faster they appear to be receding from us.

This has to do with how the Universe is expanding and evolving. Thanks to three big pieces of evidence in the context of General Relativity (our theory of gravity):

  1. The Hubble expansion of the Universe, or the observation that a galaxy's apparent redshift correlates with its apparent distance from us,
  2. The existence and properties of the Cosmic Microwave Background (CMB), or an almost-perfectly-uniform sea of blackbody radiation in all directions just a few degrees above absolute zero, and
  3. The abundances of the light elements -- hydrogen, deuterium, helium (He-3 and He-4) and lithium -- in the earliest recesses of the Universe, before any stars had formed,

we can safely conclude that the Universe evolved and expanded from a hotter, denser state, and that has been around in its current matter-and-radiation-filled form for about 13.8 billion years. A long time, but not an infinite amount of time. This paradigm is known colloquially as the Big Bang.

But there's an issue here. Over the past 13.8 billion years, the Universe has expanded according to the rules of General Relativity, which means the rate that space has expanded is determined by some set of initial conditions and also on the energy content (normal matter, dark matter, radiation, neutrinos, dark energy, spatial curvature, etc.) of the entire Universe. That part is fine, but the issue is that the Universe appears to have the same rough, average properties everywhere we look.

The densities and clustering properties of galaxies on one side of the Universe are identical to those observables on the other side, no matter what arbitrary "side" you choose. This should strike you as weird. Mengapa?

Consider that since the Big Bang, no information has been able to travel faster than the speed of light. We can "see" 46 billion light years in each direction because that's how far light has been able to travel in the expanding Universe over the past 13.8 billion years. So if we can look more than 23 billion light years in one direction and more than 23 billion light years in the other direction, we wouldn't expect these regions to be related.

Still confused? Let's give you an analogy to help understand this better.

Consider boiling water in a pot on your stove. You heat the water from the bottom, and -- as best as you can tell -- the water boils at the same time everywhere in the pot. There's no discernible temperature difference between the top of the water and the bottom. Think about that fact for a second.

Why is that?

You're heating the pot of water from the bottom, but the water is heating up everywhere. This is because the water molecules are moving around, bumping into other water molecules, and sharing their energy among one another. You may be heating the water from the bottom, but the water from the bottom can interact -- and exchange information/energy -- with the water in the rest of the pot, and can do it on timescales that are very small compared to the timescale of heating the water to a boil.

This isn't always the case.

Consider the above photo, where lava flows down from an active volcano and into the ocean. Where the lava -- well over 1,000 °C -- strikes the water, it boils almost immediately due to the incredible temperature difference. But the ocean is vast, and the rate of heat transfer is finite you don't have to go very far away from where the lava enters the water at all to find waters where the temperature is virtually unaffected by the lava heating the water. For all practical purposes, those regions are causally disconnected from one another, because they do not exchange information or share properties with one another.

It would be sangat surprising if causally disconnected regions -- regions that didn't come in contact with one another or exchange information with one another -- had the same temperatures. Yet that's persis what the Universe appears to do!

Consider that the Cosmic Microwave Background (CMB) was emitted when the Universe was just 380,000 years old, and that in that time -- even in our rapidly expanding Universe -- light could have only traveled around one million light years in any direction. If you filled in the microwave sky with circles a million light-years in radius, it would take more than ten billion independent regions to fill what we can see! And yet, these causally disconnected regions have the same temperatures, spectra, and densities to about 99.99% precision.

That problem -- that regions that have never had a chance to exchange information with one another just happen to have identical properties to one another -- is known as the horizon problem.

But there is a way to solve it these regions may not have had time to exchange information with one another sejak the Big Bang, but what if the Big Bang began with them already having the same properties?

In a nutshell, that's what inflation is: the thing that happened before the Big Bang that not only sets it up, it sets up the initial conditions that our Universe appears to have! By taking a small, tiny region (possibly even an infinitesimal region) and expanding it exponentially, that tiny region stretches to a size larger than our presently observable Universe, and ensures the following:

  1. That any matter, particles, energy or topological defects existing in that region of space prior to inflation will be so reduced in density that -- at most -- there will be only one such particle left in our Universe (solves the monopole problem),
  2. Whatever curvature space had prior to inflation, inflation stretches it so that it will appear to be indistinguishable from flat when we look at it post-inflation (solves the flatness problem),
  3. Whatever variations there were in temperature or density across different regions of space prior to inflation, it's only one tiny region that gave rise to our entire observable Universe, explaining why our Universe appears to have the same temperature-and-density properties everywhere we look (solves the horizon problem), and
  4. Quantum fluctuations that take place (according to well-understood laws) during inflation give rise to a very particular set of predictions for temperature-and-density fluctuations (and imperfections) in our observable Universe today. (Some more explanations here, here and here.)

Item number three is how the horizon problem is solved: by taking a tiny region where things once adalah connected and stretching it to such a large size that everything we see -- although they're not connected since the Big Bang -- was once connected sebelum the Big Bang.

If you don't allow inflation, then you simply have to sweep those three problems (monopole, flatness and horizon) and one prediction (about the now-confirmed spectrum of density-and-temperature fluctuations in the Universe) under the rug, and say, "Those are just the initial conditions the Big Bang started with" to make your model work.

Or, you can embrace inflation as the simple, elegant and straightforward way to solve all of them.

And that's why the Universe -- to the best of our knowledge -- is the same everywhere dan in all directions.

Have a question or suggestion? Drop me a line in our question/suggestion box, and your idea could get the Ask Ethan treatment next!

More like this

Interesting - that does help. One terminology question: what would be "topological defects" (as referenced in the first of the four points)?

Is the assumption then that the universe didn't start in a singularity? A zero-dimensional point is trivially the same everywhere.

Easy to read. Damn near impossible to understand or comprehend

This is a good article, but I take exception to the following statement:

"that’s what inflation is: the thing that happened before the Big Bang"

I read your previous articles, and not a single cosmologist I know defines inflation and the Big Bang the way you do (and being an experimental cosmologist myself, I know quite a few).
Rather, they say inflation did not happen sebelum the Big Bang, since the "Big Bang" is simply t = 0 (where t=380,000yr is recombination and t = 13.7Gyr is now). Rather, inflation happened immediately setelah the Big Bang, and the process was over by t

Inflation generates the initial conditions of the early universe's subsequent evolution without having to have a fine-tuned initial state at the Big Bang itself.

To answer dean: "topological defects" are things like monopoles (0-dimensional), cosmic strings (1-dimensional), and domain walls (2-dimensional) that have different physical properties than the 'regular' universe.

One thing I'm still missing from this is the assumption that causally disconnected regions should have different properties in the first place. The coloured triangles, stars and squares in the second-last figure. I'm sure there's a solid quantum mechanical reason for this but to the classical mind it seems that if they had undergone the same pre-inflation history they would be the same regardless of whether they had been connected. The seawater example doesn't really help because if you think of the synthesis of two tubs of seawater via an identical process you would expect them to end up identical.

There's a brain-bender you casually mentiuon with no attempt to explain it Ethan. You say

We can “see” 46 billion light years in each direction because that’s how far light has been able to travel in the expanding Universe over the past 13.8 billion years.

Apakah saya melewatkan sesuatu di sini? Is this a typo? How does light travel 46 bly in only 13.8 by?

There is an error in that picture. Itu

4.5 Billion should read 9.2 Billion years. This will confuse many people. While the earth was created 4.5 billion years ago, the rest of that picture tells how long ago the universe was created.

I still don't understand why disconnected parts of the universe aren't the same just because they were created at the same time in the same explosion.

@mike#9: The diagram is right. It shows the time elapsed SINCE the Big Bang. So 4.5 billion ly = 9.2 billion ago.

@Artor #7: Not a typo. It's because of the expansion of space.

Obviously light can't travel faster than light rather, the place from which the light was emitted is now much further away from us than it was originally.

Singularity is not in picture. Notice that inflation requires spacetime to exist and it requires a field (inflation field) in order to work. Those already existed. Thus inflation doesn't give an answer how spacetime came to be. No theory does so far.

Disconnected regions needn't have different properties per say. But they can. That's the issue. In current time all have same properties. How?
If we stick to energy and temperature, of course it's possible for two causally unlinked places to have same temperature. It's called chance or coincidence. But it's impossible for all of them to have same temperature and not be linked by some physical process. Because the chance to have same properties and not be linked is same as having different properties and not be linked. If it's random.

So why don't we have regions that are i.e. 7 or 10K. By chance, it should happen. But it doesn't. Conclusion being that thermal equilibrium was achieved before inflation. That region we occupy now was in near perfect thermal equilibrium before it got inflated. That's why everything within our inflated bubble is same now.

@ 10 Keith
no, no explosion, no "creation" of parts of universe. Nothing like that. You don't have the right mental picture of Big Bang.

singularity doesn't work for other reasons as well, but those have nothing to do with inflation.
The simplest. if you have something that is infinite.. a singularity. You need an infinite amount of something else to make that first infinity anything else than infinity.
Yes, you can say the Universe started with a singularity. But why isn't it still a singularity? Once physicists started to tackle that issue, it was soon realized that singularities just don't work.

They don't work for black holes either, Sinisa.

I think Ethan describes inflation fairly well here, albeit with a minor issue of what came first. But I have to say that inflation as described doesn't actually explain anything. You could equally assert that the available evidence suggests that the early universe was flat and homogeneous.

Mind you, I think there was a form of inflation, but a little different to the usual description, one involving GR time dilation. Imagine the early universe expanded at some slow steady pace, like a pumpkin. If you were in that universe, you would be subject to something akin to the infinite time dilation at a black-hole event horizon. So you would claim that the slow steady pace was extremely rapid, as would observers at a later epoch.

your view is left stuck with monopoles. Probably some other things as well, but this is the obvious one to me. From energy scales of early universe, you would expect to find monopoles. The fact we don't makes your model fail.

@ John
p.s.
another obvious thing would be CMB. No time dilation or anything of sort would produce CMB patterns.

Many comments let's see what I can do.

dean @1, a topological defect is anything that, if you removed all the matter and energy in the Universe, would still leave spacetime deformed. The simplest is to imagine a knot in spacetime (a 0-dimensional defect) magnetic monopoles would be such an example of this. But you can also have 1-d defects (cosmic strings, that would cause a linear discontinuity in the Universe), 2-d defects (domain walls, that would cause a planar discontinuity), 3-d defects (cosmic textures), etc. There have been extensive searches for these defects, both experimentally and observationally, and -- with one famous exception -- there are only constraints.

Benhead @2, the temperature fluctuations in the CMB constrain the energies the post-inflationary Universe to be at most a factor of

1000 lower than the Planck scale, so there's no way to have an effectively zero-dimensional point there. Inflation, because of its exponential nature, is past-timelike-incomplete, which only means that it never starts from a true single (zero-dimensional) point. (See this older post.) But there could have been a pre-inflationary state that spawned our inflating Universe the Bunch-Davies vacuum is an excellent candidate for that, although I'll point out that this discussion is very speculative, based on unobservables and experiments beyond the scope of our Universe.

asad @5, are all the cosmologists you know incredibly old? I ask that because identifying t=0 as "the moment of the Big Bang" is a relic from pre-inflationary Big Bang cosmology, and considering that inflation came out over 30 years ago, it's an odd thing to continue teaching. The facts are that the Big Bang -- or as it was called by its non-detractors, the primeval fireball -- was assumed to have begun in a singularity because that's the natural extension of a matter-and-radiation-dominated Universe in a FLRW cosmology. But if there's an inflationary state preceding the matter/radiation-filled Universe, then you don't know how long inflation went on for (you only have a lower limit), and the t=0 time ceases to have any importance. (See this long post for a further explanation.) I get where the "The Big Bang is t=0" comes from, but it's a historical relic that should be consigned to the rubbish bin of history in the light of the inflationary paradigm.

John @6, I had that exact same objection when I was an undergrad, figuring something like: hey, if it's the same Universe at the same starting point, why shouldn't it have the same properties everywhere? And what I didn't realize is that my inherent assumption was that there was a point in the past that there was something that could be construed as a starting point, with the same properties everywhere, something that can never be technically true in a matter-and-radiation-dominated Universe in an FLRW cosmology. It might violate our intuition about thermodynamics, but our intuition is wrong, and the level of homogeneity in the Universe's temperature is something we simply have to insert a priori and say "the Universe began with these initial conditions," or we could look for dynamics (like inflation) that demand them. The latter is how science advances.

Artor @7, darkgently @12 has recommended exactly the article I would have recommended to you: this one. Imagine an ant crawling between two points along the surface of a balloon as the balloon is blown up. The ant may herself walk 13.8 cm, but then look back at her initial departure point and find that it's 46 cm away. That's what the Universe is like.

mike @9, I had never noticed that mistake on the STScI image you're right! I'll have to either make some crude edits next time or find a different image. Also, there are other numerical mistakes on that image (

380,000), so the image is only qualitatively interesting.

John @15, you have to remember that inflation makes predictions about the initial spectrum of density and temperature fluctuations in the Universe, predictions that were uncovered in the 1970s and 1980s by Starobinskii, Bruce Allen and others. They predict, among other things, an almost perfectly scale-invariant spectrum of density (scalar) fluctuations but with a slight red tilt to them, a set of tensor fluctuations that generally adheres to only two sets of predictions (either "new inflation" or "chaotic inflation" styles), and that these observations from the recent CMB experiments have matched these predictions. To contend that "inflation as described doesn’t actually explain anything" is grossly unfair. As Sinisa alludes to, you'd also have to remove any high-energy relics from the Universe, although it's conceivable that ultra-high-energy physics is such that none exists a far greater "dealbreaker" problem is the CMB, which cannot be explained without inflation or, alternatively, something very much indistinguishable from it.

Remember, if you've got a question that you think is good enough for an entire column, just send it over in the question/suggestion box!

Thanks for the explanation. It should make Guth's "The Inflationary Universe" a little more understandable to me.


Watch the video: Connecting to Your Guides (Januari 2022).