Absorción de CMB por medio interestelar y contaminación con fotones de microondas galácticos

Pregunta editada el 27.06.2018 para mayor claridad. El Fondo Cósmico de Microondas (CMB) a menudo se denomina radiación sobrante del big bang, o más precisamente, los fotones desacoplados del baño termal cuando se formaron los primeros átomos.

Cuando medimos las radiaciones, es decir, el flujo de fotones en un rango de microondas determinado (digamos, 0,1 cm a 70 cm, por ejemplo), en el cielo profundo, hay radiaciones provenientes de diferentes fuentes galácticas. Cuando uno elimina cuidadosamente las contribuciones de fotones de estas fuentes y luego hace un gráfico de la intensidad frente a la frecuencia, se obtiene una curva que imita un espectro de radiación de cuerpo negro (BB). Usando eso, uno estima que la temperatura está alrededor 2.7 k

En la época en que el universo era más joven, esta radiación de fondo tenía una temperatura mucho más alta. Luego eventualmente se enfrió con la expansión del universo a la temperatura 2.7 k

Pregunta

∙ Pero además de verse afectados por la expansión del universo, ¿no deberían los fotones CMB estar continuamente contaminados por varias fuentes luminosas en la galaxia? ¿Tenemos alguna razón para pensar que las galaxias no emiten fotones del rango de microondas y se mezclan con fotones CMB? En caso afirmativo, no son realmente los viejos fotones que se desacoplaron en el Universo primitivo, y parece imposible separar los fotones CMB de otras radiaciones de microondas que probablemente se estén mezclando con él.

∙ Además, ¿cuál es la razón para pensar que esos viejos fotones han sobrevivido hasta hoy desde el desacoplamiento a pesar de ser (quizás) continuamente absorbidos por el medio interestelar?

∙ Se supone que los fotones CMB se ven afectados solo por la expansión. ¿Cómo es posible que este CMB exista sin ninguna interacción con otros fotones provenientes de estrellas, etc.? Los fotones pueden interactuar con fotones de orden superior en la teoría de perturbaciones QED, aunque la probabilidad de interacción está muy suprimida.

Respuestas (2)

Sí, el CMB podría ser parcialmente absorbido por el polvo u otras galaxias que ahora están frente a él, sin embargo, como sabemos, el espectro debería ser un espectro de cuerpo negro. Podemos, para un cierto punto en el cielo, medir el CMB en varias longitudes de onda y ver qué espectro de cuerpo negro de temperatura se ajustaría mejor a estos datos. Así, la gente puede hacer estos famosos mapas en los que se ve que la temperatura de la radiación CMB fluctúa ligeramente en varios puntos del cielo. Aunque hoy en día hay bastante ruido encima de la señal CMB, podemos filtrar el ruido, ya que el ruido en sí no suele seguir un espectro de cuerpo negro con la misma temperatura que el resto del CMB.

Pero, ¿cómo podemos estar seguros de que la mayor parte de lo que vemos en estos mapas es una señal real en lugar de ruido? A partir de los cálculos que predicen la distribución de elementos en el universo, se puede demostrar que la cantidad de fotones que se emitieron como esta radiación sobrante fue tan intensa que en el universo primitivo (cuando el CMB todavía tenía un espectro de cuerpo negro de T = 10000 k en lugar de la actual T = 2.7 k ) toda la energía del CMB era tan intensa que dominaba el contenido total de energía de todo el universo visible. ¡Intenta imaginar eso! Un Universo entero, lleno de radiación de miles de grados.

Esto nos hace estar bastante seguros de que el par de fotones emitidos o absorbidos después de la emisión inicial del CMB no cambia los resultados principales. Aunque existe toda una rama de la física que se especializa en eliminar el ruido para observar estructuras cada vez más pequeñas del CMB.

@JgL- Pero, ¿cómo es posible separar los fotones de radiación CMB de otras radiaciones de microondas? ¿Cómo es posible que este CMB exista sin ninguna interacción con otros fotones provenientes de estrellas, etc.? ¿Me resulta muy difícil digerir que el CMB es estable (es decir, nunca interactúa con otros fotones) excepto que los fotones del CMB se estiran en longitud de onda con la expansión del universo?
"" sin ninguna interacción con otros fotones provenientes de estrellas, etc.?"" ¿Qué te hace pensar que los fotones sí interactúan con otros fotones?
@ Georg: en la electrodinámica clásica de JD Jackson, argumentó que en QED γ ( pag 1 ) + γ ( pag 2 ) → γ ( k 1 ) + γ ( k 2 ) es posible. También se proporciona el diagrama de Feynman correspondiente. Entonces, ¿por qué el fotón CMB no puede interactuar con los fotones ordinarios? ¿Se debe esto a que estos procesos aparecen en un orden superior en la perturbación y, por lo tanto, la probabilidad de interacción se suprime en gran medida?
En QED, es posible que los fotones interactúen debido a las interacciones con los electrones 'virtuales'; sin embargo, este es un efecto bastante insignificante. Especialmente cuando se compara con la gran cantidad de fotones CMB que tienen un espectro de cuerpo negro casi perfecto, no hay razón para creer que este pico en una longitud de onda específica surgió de tal γ γ dispersión. Además, hay otra evidencia independiente, como la distribución de elementos en el universo primitivo que apunta a la misma conclusión de que el Universo estaba muy caliente en una etapa anterior, prediciendo la longitud de onda CMB correcta.

Usted declara:

Cuando uno elimina cuidadosamente las contribuciones de fotones de estas fuentes

y luego pregunta:

Pero además de verse afectados por la expansión del universo, ¿no deberían los fotones CMB estar continuamente contaminados por varias fuentes luminosas en la galaxia?

De modo que las fuentes luminosas de radiación de microondas se localizan en las galaxias y sus estrellas y pueden eliminarse. La radiación electromagnética viaja en línea recta, y la probabilidad de que un fotón golpee una partícula de polvo y "contamine" la señal primordial contribuiría a errores sistemáticos. El estudio de errores es una investigación en curso, por ejemplo aquí .

Además, ¿cuál es la razón para pensar que esos viejos fotones han sobrevivido hasta hoy desde el desacoplamiento a pesar de ser (quizás) continuamente absorbidos por el medio interestelar?

El desacoplamiento significa que no hay interacciones. La densidad del medio intergaláctico es muy baja, del orden de 1 átomo de hidrógeno por metro cúbico a 1 átomo por C metro 3 , mientras que la radiación de microondas viene como luz, es decir, millones de fotones.

Se supone que los fotones CMB se ven afectados solo por la expansión. ¿Cómo es posible que este CMB exista sin ninguna interacción con otros fotones provenientes de estrellas, etc.?

Las interacciones entre fotones y fotones son muy improbables. Es por eso que los rayos de luz se superponen y muestran interferencia, pero no se dispersan entre sí.

Me gustaría saber por qué esta respuesta está rechazada. Se "siente" (desde mi comprensión no tan alta de todo) correcto y ciertamente es más una respuesta a todas las preguntas de OP que a las de JgL (que sigue siendo buena)
@peguerosdc No se preocupe, cuando las personas tienen una razón sólida para votar en contra, generalmente lo declaran. Muchas personas votan negativamente porque vagamente no les gusta la respuesta. Después de todo, la votación no es un sistema de revisión por pares, porque cualquier usuario con cierta reputación puede votar, independientemente del nivel de comprensión de la física.
@peguerosdc Acabo de ver que esta respuesta no ha sido rechazada, por lo que debe querer decir "por qué no tiene votos positivos". Significa que nadie hizo clic en la flecha hacia arriba a la izquierda de la respuesta, a nadie le gustó la respuesta lo suficiente como para hacerlo. No significa "votar a la baja" en el sistema de votación del sitio.
@ usuario: 1492 correcto, pensé incorrectamente que "0 votos" significaba que el recuento predeterminado era 1, pero alguien votó en contra. Mis disculpas. Lo he votado ahora.
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