Entender el fondo del CMB como marco de referencia

Los fotones individuales ciertamente no tienen un marco de reposo. Sin embargo, hay un marco de reposo en el que el CMB es casi perfectamente isotrópico (las desviaciones de un espectro de cuerpo negro perfecto son del orden de 1 parte en 100.000), y por conveniencia lo llamamos el marco de reposo del CMB.

Ese cuadro es esencialmente el cuadro de reposo del plasma que emitió el CMB, es decir, la superficie de la última dispersión, ajustada para el flujo del Hubble.

Nuestro movimiento causa anisotropía a través del desplazamiento Doppler simple: los fotones CMB que vienen de la dirección hacia la que nos dirigimos actualmente se desplazan hacia el azul, los fotones en la dirección opuesta se desplazan hacia el rojo.

La velocidad de la Tierra con respecto a ese marco es un poco complicada, porque estamos orbitando el Sol, que está orbitando dentro de la galaxia, que tiene su propio movimiento en el grupo local, etc. Por supuesto, todos esos movimientos están operando a diferentes escalas de tiempo y diferentes velocidades. El efecto del período más corto se debe, por supuesto, a nuestra órbita alrededor del Sol, pero la velocidad de nuestra órbita es bastante tranquila en comparación con los otros movimientos que mencioné. Por lo tanto, existe una variación anual notable en la cantidad y ubicación exactas de la anisotropía, pero los movimientos de alta velocidad de período largo son los principales factores que controlan la anisotropía.

Esta famosa imagen ( de Wikipedia )

muestra el CMB de WMAP después de restar la anisotropía del dipolo. Las variaciones de 1 en 100.000 partes que mencioné anteriormente se amplifican enormemente, de lo contrario, la imagen se vería totalmente uniforme. Esta amplificación solo se puede hacer después de la compensación de anisotropía, de lo contrario la anisotropía dominaría totalmente la imagen.

Aquí está el mapa de dipolo de los datos COBE , cortesía de la NASA :

el azul corresponde a 2.721 Kelvin y el rojo a 2.729 Kelvin.

En primer lugar, ¿cómo es posible pensar en CMB, un baño de fotones de cuerpo negro (BB) en el espacio, como un marco de referencia? No coincide con mi noción newtoniana de marcos de referencia.

Pero lo hace. El marco de referencia de$X$es uno donde$X$tiene un impulso cero, y un baño de fotones tiene un impulso medible y, al elegir el marco correcto, se puede hacer que sea cero.

¿Qué entendemos por anisotropías en un espectro BB? ¿Pequeñas salidas de la distribución BB?

y

¿Por qué nuestro movimiento debe causar anisotropía?

La isotropía es una condición de ser igual en todas las direcciones. Desde el punto de vista de los observadores que no están en el marco del CMB, los fotones de una dirección se desplazan hacia el azul, los de la dirección opuesta se desplazan hacia el rojo ¹ y los que no están en la línea de movimiento relativo se desplazan parcialmente por Doppler y exhiben aberración angular. (término de búsqueda "enfoque de Lorentz").

Todos estos efectos hacen que la vista sea diferente en diferentes direcciones.

¹ Por supuesto, una longitud de onda diferente significa un impulso diferente, por lo que estos efectos están relacionados con estar en un marco en el que el CMB tiene un impulso neto diferente.

Si está en movimiento con respecto al CMB, verá que los fotones frente a usted se desplazan un poco hacia el azul y los que están detrás de usted hacia el rojo. Vemos esto, y la Tierra parece estar moviéndose ~600 km/s con respecto al CMB.