¿Por qué la radiación CMB se propaga hacia nosotros?

Hay algo con la radiación CMB que no me sienta bien... Parece muy contrario a la intuición que podamos verlo. Si la radiación CMB se formó en las primeras fases del universo, ¿no tendría sentido que se expandiera y propagara "hacia afuera" con el Big Bang para que nunca la viéramos? La mayor parte del espacio está fuera de nuestro alcance ya que no pertenece al universo observable. Pero la radiación CMB se formó antes que la mayoría del espacio, ¿no debería estar también muy lejos del universo de observación en su camino lejos de nosotros?

¿Cómo debo visualizar la radiación CMB? Tengo una maestría en física teórica pero nunca volví a entender esto. Cualquier ayuda para entender esto es muy bienvenida.

¿Eres consciente de que todos los puntos (x, y, z) en nuestro espacio actual también estaban presentes al comienzo del universo? ver esto physics.stackexchange.com/questions/136860/…
No se propaga "hacia afuera" o "hacia adentro" hacia nosotros. Comenzó en todas partes y se propaga en todas direcciones. Vemos los bits que comenzaron a la distancia correcta y tenían la dirección correcta para golpearnos ahora.
@knzhou: Sí, solo puede detectar la radiación que se propaga directamente hacia usted y golpea su detector.
@knzhou qué conveniente ...
@Michael Tal vez sea conveniente, pero no es más conveniente que poder ver un árbol a la luz del día. Para que eso sea posible, un fotón del Sol debe apuntar perfectamente para golpear el árbol y luego reflejarse en el ángulo perfecto para golpear tu ojo... ¿una conspiración?

Respuestas (4)

El error más grande que veo en la pregunta es la idea del Big Bang como algo que se propaga "hacia afuera", como una explosión. No hay dirección hacia afuera, el universo no se expandió en algo.

Aunque las observaciones recientes parecen sugerir que el universo es cerrado, en aras de la simplicidad supongamos que el universo es plano e infinito.

Lo primero que hay que notar es que si el universo es infinito ahora, también lo era poco después del Big Bang, solo que era más denso . Imagina un plano sobre el que se dibuja una red de puntos, igualmente espaciados.

antes de la expansión

El plano es el universo en un momento determinado. Los puntos representan objetos en el universo, electrones, átomos, estrellas, lo que sea.

Ahora, imagina escalar el avión, haciéndolo más grande. Por supuesto, el plano es infinito, por lo que escalarlo no cambia su tamaño, pero los puntos se alejan más entre sí mientras mantienen su tamaño fijo (de lo contrario, no podría decir que se produjo una expansión).

después de la expansión

Ves que los puntos no se expanden en nada, el universo (el plano) ya era infinito, no creció en tamaño.

Críticamente, no hay un centro de expansión. La distancia desde dos puntos cualesquiera se ha duplicado (en este ejemplo), independientemente de su posición.

Ahora, hablemos del CMB. Imagina que en ese momento t 0 , cada punto emitía un pulso, una onda circular en expansión. Esta onda simboliza los fotones de la cmb que se emiten al mismo tiempo desde todos los puntos hacia todas las direcciones.

cmb emitido

Las últimas imágenes se refieren a nuestra situación. La Tierra es el punto negro que es tocado por los frentes de onda. Vemos el CMB proveniente de todas las direcciones (en la imagen solo de cuatro direcciones) porque se emitió desde todas partes.

cmb nos llega

En realidad, ¿por qué molestarse en suponer algo sobre el tamaño del universo cuando no importa? Todo lo que importa es que, en algún momento después del Big Bang, se irradiaron muchos fotones desde muchos lugares diferentes , por lo que algunos de ellos podrían alcanzar nuestra posición ahora.
@user21820 Bueno, tiene que ser grande . Infinito es un tipo de grande. Creo que un "radio de 30 mil millones de años luz" también sería lo suficientemente grande. Pero mil millones de años luz no serían lo suficientemente grandes , el CMB no se vería como lo hace. Así que el tamaño del universo sí importa.
@Yakk: Sí, por supuesto. Ambos sabemos que mi punto era simplemente que no tiene que ser infinito.
"Críticamente, no hay un centro de expansión". Esto no funciona en un plano 2D plano, ¿verdad? Debe haber un centro en algún lugar del plano. Sin embargo, su oración puede aplicarse a la superficie de una esfera. ¿Bien?
@EricDuminil Mientras el plano sea infinito, no hay centro.
@Taemyr seguro, un plano infinito no tiene centro (o una infinidad de él). Sin embargo, debe haber un centro para la escala. Cada punto tiene que moverse en una dirección específica, con una velocidad específica. Los puntos no pueden moverse en cualquier lugar, a una velocidad infinita.
@EricDuminil No, no es necesario que haya un centro para la escala. La pregunta pertinente es; moverse en relación con qué?
@Taemyr Gracias. Es contrario a la intuición, pero creo que ahora lo entiendo. No hay referencia externa, ya que el plano es todo el universo. Todo observador tiene la impresión de que todos los demás puntos se alejan de él.
@ user21820 Creo que sí importa si el universo es infinito. Si es finito, entonces su tamaño debe cambiar o algunos de los puntos en el primer plano de ejemplo deben desaparecer para dejar espacio a la mayor distancia entre ellos. Tener un plano infinito soluciona eso, aunque debo admitir que me aturde. Además, si el universo es finito, habría una referencia que podrías usar para encontrar el "centro".
@KevinKeane aún puede tener un universo finito y evitar los problemas que menciona si está cerrado: por ejemplo, la superficie de una esfera (¡solo la superficie!)
@KevinKeane: No entiendo lo que dices en absoluto. Solo podemos observar datos del universo observable, que es finito. Lo que sucedió o sucederá fuera de ese límite no es observable por nosotros, ni es relevante para explicar por qué el CMB puede tardar mucho en llegar hasta nosotros.
@ user21820 El problema aquí es dónde está el límite del universo observable. Ingenuamente, uno esperaría que estuviera a 13.8 billones de años luz de distancia. Pero eso es ignorar la expansión del espacio mismo. Un punto que hoy está a 13.8 billones de años luz de distancia habría estado mucho más cerca de nuestra posición actual cuando la luz se fue. Y a la inversa, un punto donde la luz necesitó 13.800 millones de años para llegar a nosotros se habrá movido en los últimos 13.800 millones de años a 40+000 millones de años luz de distancia gracias a la expansión del universo. Entonces, el universo observable efectivo está dictado por el tiempo + expansión, no solo por el tiempo.
@KevinKeane: ¿Qué dije que te hizo pensar que estaba usando una definición "ingenua" del universo observable? Mi punto es que no hay necesidad ni razón para suponer un universo infinito.
@ user21820 Estoy de acuerdo contigo, para explicar CMB no es necesario asumir un universo infinito. Pero también quería abordar la idea errónea de que el universo se está expandiendo "hacia afuera" en algo. Solo pensé que sería más simple explicarlo en un universo plano infinito, que postular un universo cerrado, como una esfera en expansión, y luego explicar que una variedad topológica no necesita estar incrustada en el espacio 3D.
@Prallax: Ah, está bien, eso tiene sentido. ¡Gracias por abordar mi punto!

El CMBR no ocurrió en un solo lugar, sino en todo el universo primitivo (desde hace más de 13 mil millones de años). Por lo tanto, cualquier observador teórico a lo largo de la historia completa del universo puede ver el CMBR pasando por su área del universo en su momento presente (sin embargo, con una firma térmica diferente). Lo que vemos hoy es luz que ha viajado una distancia de más de 13 mil millones de años luz. Esta distancia total se compone tanto de la distancia inicial (cuál habría sido su distancia desde cierta región del universo en el momento en que se emitió el CMBR) más la distancia adicional creada por el estiramiento del espacio-tiempo (y por lo tanto, el enfriamiento observado del CMBR).

Dado que el CMBR no es un evento (un punto en el espacio-tiempo definido específicamente por tres dimensiones espaciales y una temporal) sino que ocurrió en todas partes, simplemente necesita alinear la distancia recorrida con el tiempo transcurrido y podrá observar el CMBR que se emitió desde la región correspondiente del universo en el momento en que se emitió el CMBR.

Los fotones habrían viajado durante 13 mil millones de años, pero probablemente desde mucho más lejos que los puntos que hoy están a 13 mil millones de años luz. Esto se debe a que la expansión del espacio en sí no está limitada por la velocidad de la luz. Recuerdo vagamente que el número real es algo así como 46 mil millones de años luz, aunque no me cites al respecto.

Luché con visualizar esto durante algún tiempo. Lo que estamos viendo como CMB es la "superficie de última dispersión"; en otras palabras, la superficie (en retroceso) donde se emitieron fotones después de la recombinación.

Encontré que la "superficie del último grito" de Lineweaver es una analogía útil:

Considere un campo infinito lleno de gente gritando. Los círculos son sus cabezas. Tú también estás gritando. (Tu cabeza es el punto negro). Ahora supón que todos dejan de gritar al mismo tiempo. ¿Qué escucharás? El sonido viaja a 330 m/s. Un segundo después de que todos dejen de gritar, podrás escuchar los gritos desde una "superficie de los últimos gritos" a 330 metros de ti en todas las direcciones. Después de 3 segundos, los débiles gritos provendrán de 1 km de distancia... etc.

https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March03/Lineweaver/Lineweaver7_2.html

Al mismo tiempo útil y profundamente, profundamente, inquietante. ;)

Imagina que hace 13 mil millones de años, el Universo es una sopa caliente con muchos fotones rebotando en direcciones aleatorias. Mires donde mires, fotones de sopa caliente.

Ahora expande todo y ven a hoy. La misma sopa de fotones caliente todavía está aquí, pero desplazada hacia el rojo. Mires donde mires, estés donde estés, sopa de fotones. Estamos en la misma nube universal de fotones.

El CMB es esencialmente nuestra vista desde el interior de un gas fotónico o un cuerpo negro perfecto.

El problema con la comprensión del Universo "observable" es que hay muchos horizontes entre los que confundir: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_horizon

Dado que el Universo se está expandiendo, la distancia recorrida por un fotón hace 13 mil millones de años vale más la distancia actual (similar a cómo valía más el dinero hace mucho tiempo). Esto significa que podemos ver fotones desde una distancia muy larga que se emitieron en el pasado (horizonte de partículas), aunque nunca podremos visitar el lugar de donde provino si comenzamos hoy (horizonte de eventos).

Entonces, ¿dónde están los cosmólogos enojados que protestan frente al universo porque debemos dejar de imprimir espacio-tiempo nuevo y pagar la deuda intergaláctica?
@ user253751 Tienen una mentalidad cosmológica muy cerrada.
@ user253751 fueron abucheados por los economistas cósmicos que acaban de idear una nueva forma de aprovechar la inflación para ganar dinero rápido para sus empleadores gracias a los bosones de la clase trabajadora, que claramente se ven obligados a separarse por el distanciamiento social. ¡Necesitamos totalmente un movimiento de Justicia para los Bosones!
¿Por qué la radiación CMB se propaga hacia nosotros?
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