¿Se han "enfriado" o "estirado" los fotones CMB?

Los textos introductorios y los relatos populares de por qué vemos el CMB "una vez caliente" como microondas casi siempre dicen algo sobre los fotones "enfriándose" desde el Big Bang. ¿Pero no es eso engañoso? ¿No tienen esos fotones longitudes de onda largas ("frías") porque el espacio se expandió desde que fueron emitidos? No hay un proceso de "enfriamiento" separado, ¿verdad?

¿Quizás han sido planchados?
¿Adónde ha ido la energía si han disminuido en frecuencia? Parece un tipo muy extraño de pérdida de energía. No es que puedan perderse fácilmente en colisiones, ¿verdad? ¿Se pierde en algún campo? Si la temperatura inicial es 10 ^ 7 K (digamos) y hay 10 ^ 89 fotones (digamos) NkT no son exactamente cinco centavos y diez centavos, ¿verdad? Sobre 10^73J. ¿Quizás hay más de ellos? No sé si estoy siendo muy tonto y es obvio o si vale la pena una pregunta adecuada. No pude encontrar un duplicado. Le pregunté a un amigo físico y me dijo que era demasiado complicado de explicar. ¡Oh bien!
@DanSheppard: Creo que la respuesta aceptada explica exactamente eso.
Ok, debo estar siendo tenue. Supongo que la energía se conserva (en algún lugar) y E = hf. ¿Son ambos válidos? Entiendo que f y lamdba cambian a medida que el espacio se expande, por lo que la temperatura (es decir, la energía) disminuye. Pero si E=hf eso significa que ahora tienes un fotón menos energético. La energía debe haber ido a alguna parte, si no está ahora en el fotón. Entiendo el mecanismo, con el enfriamiento y el estiramiento, simplemente no sé cómo explicar la conservación de energía. No puedo ver la respuesta aceptada que aborda eso. Lo intentaré de nuevo cuando me sienta más inteligente, :-) .
He encontrado la respuesta (¿y?) aquí. Cosas interesantes. física.stackexchange.com/questions/130536/…

Respuestas (3)

Enfriar y estirar significan esencialmente lo mismo aquí. La temperatura de cualquier radiación de cuerpo negro está relacionada con la longitud de onda máxima por la Ley de Wien.

λ metro a X = b T
Por lo tanto, a medida que el universo se expande, todas las longitudes de onda de los fotones se estiran, al igual que la longitud de onda máxima.
λ ∝ a ( t )
Esto disminuye la temperatura de la radiación por el mismo factor que expande la longitud de onda de los fotones.
T ∝ 1 a ( t )
este factor a ( t ) es el factor de escala del universo y aumenta con el tiempo para un universo en expansión.

Creo que la mejor manera de pensarlo es que la oración "los fotones se han enfriado" simplemente describe un hecho, no lo explica. En épocas tempranas, los fotones en cualquier ubicación dada tenían una distribución térmica (cuerpo negro) correspondiente a una temperatura alta (medida por observadores en reposo en el marco de referencia natural comóvil). En tiempos posteriores, los fotones en un lugar determinado tenían una distribución térmica correspondiente a una temperatura más baja. A eso nos referimos cuando decimos que se "enfriaron".

Por supuesto, entonces es muy natural preguntar por qué se enfriaron. Ahí es donde entra la explicación del "estiramiento del espacio". Creo que esa explicación es problemática, como escribí extensamente aquí , pero otros no están de acuerdo.

¿No es una diferencia bastante grande entre el "estiramiento" de un fotón individual (que da como resultado una menor cantidad de energía detectada en la recepción) y un cambio en la distribución general de la longitud de onda (correspondiente a un cambio en la temperatura aparente del cuerpo negro)?
No creo entender esto. Los "hechos del asunto" son que los observadores en un momento miden fotones cuya distribución de longitud de onda se centra alrededor de longitudes de onda cortas, los observadores en un momento posterior miden una distribución centrada alrededor de longitudes de onda largas, y los últimos observadores miden una menor densidad de fotones. Todos esos hechos se pueden resumir en la palabra "enfriado" (ya que esos hechos describen con precisión la diferencia entre un espectro de cuerpo negro de alta y baja temperatura). A algunas personas les gusta "explicar" ese hecho con el lenguaje de "extensión".
Estaba pensando más en el caso especial con un solo fotón de una energía suficientemente específica que se libera hace 3 mil millones de años y su energía se mide ahora y se encuentra reducida. El material del cuerpo negro está en otro nivel de análisis además de esto, ¿no es así, discutiendo las interpretaciones de una distribución completa de fotones?
Es cierto que no sería muy natural usar la palabra "enfriado" para describir un solo fotón, especialmente uno que no proviene de una distribución térmica.
Esa es una excelente explicación Ted, ¡gracias por eso!

Usaré la mayor parte de la respuesta de @Ted para describir "caliente", pero haré una pregunta más básica:

Creo que la mejor manera de pensarlo es que la oración "los fotones se han enfriado" simplemente describe un hecho, no lo explica. En épocas tempranas, los fotones en cualquier ubicación dada tenían una distribución térmica (cuerpo negro) correspondiente a una temperatura alta (medida por observadores en reposo en el marco de referencia natural comóvil). En tiempos posteriores, los fotones en un lugar determinado tenían una distribución térmica correspondiente a una temperatura más baja. Eso es lo que queremos decir cuando decimos que "se enfriaron". Por supuesto, entonces es muy natural preguntar

P: ¿Qué pasaría si los fotones CMB en el pasado estuvieran realmente calientes?
R: ¡Es un imposible!

como se ve aquí: Problemas restantes en la interpretación del fondo cósmico de microondas :

los aumentos de temperatura CMB esperados serían prohibitivos para la formación de estrellas en galaxias con desplazamientos al rojo superiores a z = 2 donde sin embargo se han observado las supernovas cosmológicamente más relevantes

La interpretación oficial del CMB, en un universo pasado caliente, está en problemas. Una buena razón para considerar que los átomos más grandes en el pasado irradiaban en longitudes de onda más grandes, lo que explica el desplazamiento hacia el rojo cosmológico como se demuestra aquí: un modelo autosimilar del Universo revela la naturaleza de la energía oscura.

¿Se han "enfriado" o "estirado" los fotones CMB?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v