¿El marco de descanso CMB es especial? ¿De dónde viene?

Encontré esta respuesta en la página de preguntas frecuentes del profesor Douglas Scott . Investiga CMB y cosmología en la Universidad de British Columbia.

¿Cómo es que podemos saber qué movimiento tenemos con respecto al CMB? ¿No significa esto que hay un marco de referencia absoluto?

La teoría de la relatividad especial se basa en el principio de que no hay marcos de referencia preferidos. En otras palabras, toda la teoría de Einstein se basa en la suposición de que la física funciona igual independientemente de la velocidad y la dirección que tengas. ¡Así que el hecho de que haya un marco de referencia en el que no haya movimiento a través del CMB parecería violar la relatividad especial!

Sin embargo, la suposición crucial de la teoría de Einstein no es que no haya marcos especiales, sino que no hay marcos especiales donde las leyes de la física sean diferentes. Claramente hay un marco donde el CMB está en reposo, por lo que este es, en cierto sentido, el marco de reposo del Universo. Pero para hacer cualquier experimento de física, cualquier otro marco es tan bueno como este. Entonces, la única diferencia es que en el marco de reposo CMB no se mide la velocidad con respecto a los fotones CMB, pero eso no implica ninguna diferencia fundamental en las leyes de la física.

"¿De dónde viene?" también se responde:

¿De dónde vinieron realmente los fotones?

Una muy buena pregunta. Creemos que el Universo muy primitivo era muy caliente y denso. En una época bastante temprana hacía tanto calor, es decir, había tanta energía alrededor, que continuamente se creaban y aniquilaban de nuevo pares de partículas y antipartículas. Esta aniquilación produce energía pura, lo que significa partículas de luz: fotones. A medida que el Universo se expandía y la temperatura bajaba, las partículas y antipartículas (quarks y similares) se aniquilaban entre sí por última vez, y las energías eran lo suficientemente bajas como para no poder volver a crearse. Por alguna razón (que aún no se entiende bien) el Universo primitivo tenía aproximadamente una parte en mil millones más de partículas que de antipartículas. Entonces, cuando todas las antipartículas aniquilaron a todas las partículas, quedaron alrededor de mil millones de fotones por cada partícula de materia. Y eso'

Entonces, los fotones que observamos en el fondo cósmico de microondas se crearon en el primer minuto más o menos de la historia del Universo. Posteriormente se enfriaron junto con la expansión del Universo, y finalmente se pueden observar hoy con una temperatura de alrededor de 2,73 Kelvin.

EDITAR:

@starwed señala en los comentarios que puede haber cierta confusión sobre si alguien en el marco de descanso está estacionario con respecto a los fotones en el marco de descanso. Encontré un par de preguntas más en la excelente página de preguntas frecuentes por correo electrónico del profesor Scott para aclarar el concepto.

En su respuesta a "¿Cómo es que podemos saber qué movimiento tenemos con respecto al CMB?" pregunta, hay un punto más que podría mencionarse. En un universo en expansión, dos objetos distantes que están en reposo con respecto al CMB normalmente estarán en movimiento uno respecto del otro, ¿verdad?

¡La expansión del Universo es ciertamente un inconveniente cuando se trata de pensar en imágenes simples de cómo funcionan las cosas cosmológicamente! Normalmente solucionamos esto imaginando un conjunto de observadores que se expanden entre sí de manera uniforme, es decir, no tienen "movimientos peculiares", solo la "expansión de Hubble" (que está directamente relacionada con la distancia que los separa). Estos observadores luego definen un marco de referencia en expansión. Hay muchos marcos de este tipo diferentes, todos moviéndose con una velocidad constante entre sí. Pero uno de ellos puede ser elegido explícitamente como el que no tiene patrón de dipolo CMB en el cielo. ¡Y ese es el marco de descanso absoluto (en expansión)!

Suposiciones: Desde la mayoría de los puntos del universo, uno medirá un dipolo CMBR. Por lo tanto, habría que acelerar para alcanzar un marco de referencia "en reposo" en relación con el CMBR. Preguntas: Habiendo alcanzado ese "marco de reposo", ¿no tendría uno que acelerar constantemente para permanecer en reposo (para contrarrestar la atracción de toda la masa dispersa por el universo)? [reducido]

Creo que la suposición es incorrecta y, por lo tanto, no es necesario formular la pregunta.

El hecho de que haya un dipolo CMB (un lado del cielo más caliente y el otro lado más frío que el promedio) nos dice que nos estamos moviendo a cierta velocidad en cierta dirección con respecto al marco de referencia "preferido" (es decir, el que en el que no se observa dipolo). Para entrar en este marco libre de dipolo, solo tenemos que movernos con una velocidad que cancele la velocidad que produce el dipolo. No hay necesidad de acelerar (acepte la rápida aceleración que tendría que hacer para cambiar la velocidad, por supuesto).

Nuestro movimiento local (que nos hace movernos en relación con el "marco CMB" y, por lo tanto, nos da un dipolo para observar) es causado por cúmulos y supercúmulos de galaxias cercanos que nos empujan. Es cierto que en escalas de tiempo cosmológicas estos objetos también se mueven. Entonces, si quisiéramos mantenernos siempre en el marco libre de dipolos, tendríamos que hacer pequeños ajustes en nuestra velocidad a medida que nos movíamos y nos jalaban diferentes objetos. Pero estos cambios serían en escalas de tiempo de aproximadamente mil millones de años. Y así, para entrar en el marco sin dipolo CMB, básicamente solo se requieren los siguientes 3 pasos: (1) observar el dipolo de hoy; (2) moverse hacia la dirección más fría a la velocidad justa para cancelar el dipolo; y (3) mantener básicamente esa misma velocidad para siempre.

La mejor teoría que tenemos, en la actualidad, para abordar esta cuestión es la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Su anterior Teoría Especial de la Relatividad postuló la equivalencia de todos los marcos de referencia inerciales (es decir, no acelerantes) para formular las leyes básicas de la naturaleza, pero ignoró los fenómenos gravitatorios. la Teoría General incorporó la gravedad, tratándola como una manifestación de la curvatura de la geometría del espacio-tiempo, y usó el cálculo tensorial para formular las leyes de la naturaleza en una forma que era invariable bajo cualquier cambio de marco de referencia o sistema de coordenadas. También fue la primera teoría que pudo modelar la evolución dinámica del universo como un todo. El posterior descubrimiento tanto de la evolución del universo en expansión del Big Bang como de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), luego proporcionó datos que podrían usarse para definir un sistema de coordenadas en relación con el cual las características de mayor escala del universo podrían describirse de la manera más simple. Este es el llamado sistema de coordenadas de movimiento conjunto, en el que las coordenadas espaciales se expanden con los cúmulos galácticos que se separan y el CMB tiene la distribución de intensidad más esféricamente simétrica con la frecuencia. Se ha dicho que este sistema de coordenadas define el "marco de reposo del universo" y nuestro movimiento en relación con él puede medirse mediante la distribución de momentos dipolares que observamos superpuestos al CMB, que de otro modo sería esféricamente simétrico. Pero mientras la expansión y el CMB están en el que las coordenadas espaciales se expanden con los cúmulos galácticos que se separan y el CMB tiene la distribución de intensidad con frecuencia más esféricamente simétrica. Se ha dicho que este sistema de coordenadas define el "marco de reposo del universo" y nuestro movimiento en relación con él puede medirse mediante la distribución de momentos dipolares que observamos superpuestos al CMB, que de otro modo sería esféricamente simétrico. Pero mientras la expansión y el CMB están en el que las coordenadas espaciales se expanden con los cúmulos galácticos que se separan y el CMB tiene la distribución de intensidad con frecuencia más esféricamente simétrica. Se ha dicho que este sistema de coordenadas define el "marco de reposo del universo" y nuestro movimiento en relación con él puede medirse mediante la distribución de momentos dipolares que observamos superpuestos al CMB, que de otro modo sería esféricamente simétrico. Pero mientras la expansión y el CMB estánfenómenos que parecen más simples en las coordenadas co-móviles, las leyes que rigen la expansión y el CMB, cuando se expresan en forma tensorial, tienen la misma forma en cualquier coordenada. Entonces, el sistema de coordenadas de movimiento conjunto, el "marco de reposo del universo", es (actualmente) solo especial o "preferido" para la descripción de las características de mayor escala del universo.

La radiación cósmica de fondo es una imagen muy desplazada hacia el rojo de la última superficie de dispersión. La última superficie de dispersión no es un solo objeto, es cómo se veía el universo lo suficientemente atrás en el tiempo que estaba hecho completamente de plasma opaco caliente. Unos momentos después, la temperatura se enfrió lo suficiente como para que las partículas pudieran volverse eléctricamente neutras y la siguiente partícula no absorbiera la luz de inmediato. El universo se volvió transparente y la luz que ves desde la última superficie dispersa ahora te está alcanzando.

El plasma que comprendía la última superficie de dispersión estaba muy caliente y sus partículas individuales tenían bastante movimiento. El marco de reposo de la radiación cósmica de fondo es un promedio de estas partículas, no un marco de referencia especial exclusivo de la física.

También es importante tener en cuenta que no es solo "una pelota en algún lugar", sino algo que sucedió en todas partes, ¡incluso donde estás parado! Pero donde estás parado, eso fue hace miles de millones de años, y te has movido desde entonces y te has convertido en un humano parado en un planeta en lugar de un plasma. Cuando miras a miles de millones de años de distancia, ves el universo como era hace miles de millones de años. Ves el plasma que aún no ha tenido la oportunidad de moverse.

TL;DR: No, no es especial. Viene de que nos hemos mudado desde entonces.

Los fotones que forman el CMB provienen de lo que se llama la última superficie de dispersión. Esta superficie es diferente dependiendo de la posición en el espacio-tiempo del observador. Entonces, cada observador tendrá un marco de referencia diferente en el que el CMB no tiene un término dipolar.

Dado que el desacoplamiento ocurrió cuando el Universo tenía solo una milésima parte de su tamaño actual, y los fotones han estado viajando ininterrumpidamente desde entonces, provienen de una distancia considerable. De hecho, una distancia cercana al tamaño del Universo observable. Los que vemos se originan en la superficie de una esfera muy grande centrada en nuestra ubicación, que se muestra en la figura 10.2, llamada superficie de la última dispersión. Su radio es de orden 6000$h^{- 1}$Mpc (ver Problema a.5). Por supuesto, no hay nada especial en esta superficie en particular, excepto que se encuentra a la distancia correcta a la que los fotones nos han llegado hoy. Hay fotones que se originan en cada punto, y los observadores en diferentes partes del Universo (¡si es que hay alguno!) verán fotones que se originan en diferentes esferas grandes. del mismo radio, centrados en su ubicación.

de Introducción a la cosmología moderna de Andrew Liddle. Página 80