Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Hasonló dokumentumok
Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás anizotrópiája

Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék április 28.

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Az univerzum szerkezete

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

A nagy skálás szerkezet statisztikus leírása

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

Fekete lyukak, gravitációs hullámok és az Einstein-teleszkóp

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Az elektromágneses hullámok

Galaxisfelmérések: az Univerzum térképei. Bevezetés a csillagászatba május 12.

Kozmológiai n-test-szimulációk

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

Csillagászat. A csillagok születése, fejlődése. A világegyetem kialakulása 12/C. -Mészáros Erik -Polányi Kristóf

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Tartalom. Történeti áttekintés A jelenség és mérése Modellek

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Beugró kérdések. Elektrodinamika 2. vizsgához. Számítsa ki a gradienst, divergenciát és a skalár Laplace operátort henger koordinátákban!

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

2. Rész A kozmikus háttérsugárzás

A légköri sugárzás. Sugárzási törvények, légköri veszteségek, energiaháztartás

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Aktív galaxismagok, szupermasszív fekete lyukak

A gravitáció hatása a hőmérsékleti sugárzásra

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

2016. április 5. Balogh Gáspár Sámuel Kvazárok április 5. 1 / 28

Geofizikai kutatómódszerek I.

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

A sötét anyag és sötét energia rejtélye

Abszorpciós fotometria

13. Előadás. A Grid Source panelen a Polarization fül alatt megadhatjuk a. Rendre az alábbi lehetőségek közül választhatunk:

Az optika tudományterületei

Abszorpciós spektroszkópia

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Hőmérsékleti sugárzás

Szilárd testek sugárzása

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

Elektromágneses hullámok

Elektronspin rezonancia

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Aktív magvú galaxisok és kvazárok

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Jelöljük meg a kérdésnek megfelelő válaszokat! 1, Hullámokról általában: alapösszefüggések a harmonikus hullámra. A Doppler-effektus

Elfedett pulzációk vizsgálata a KIC fedési kettősrendszerben

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Biofizika. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása

Biofizika. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

Röntgen sugárzás. Wilhelm Röntgen. Röntgen feleségének keze

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

Legyen a rések távolsága d, az üveglemez vastagsága w! Az üveglemez behelyezése

TÁVKÖZLÉSI ISMERETEK FÉNYVEZETŐS GYAKORLAT. Szakirodalomból szerkesztette: Varga József

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

Aktív galaxismagok, szupermasszív fekete lyukak

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Modern fizika laboratórium

A Planck-eloszlásokról és a fényforrások ekvivalens színhőmérséklet -eiről Erbeszkorn Lajos

Hajder Levente 2017/2018. II. félév

Tartalom. Tartalom. Anyagok Fényforrás modellek. Hajder Levente Fényvisszaverési modellek. Színmodellek. 2017/2018. II.

Z bozonok az LHC nehézion programjában

A lézer alapjairól (az iskolában)

Abszolút és relatív aktivitás mérése

Dr. Berta Miklós. Széchenyi István Egyetem. Dr. Berta Miklós: Gravitációs hullámok / 12

Diffrakciós szerkezetvizsgálati módszerek

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék


A hőmérsékleti sugárzás

Elektromágneses hullámegyenlet

A hőmérsékleti sugárzás

A szubmikronos anyagtudomány néhány eszköze. Havancsák Károly ELTE TTK Központi Kutató és Műszer Centrum július.

Pásztázó elektronmikroszkóp. Alapelv. Szinkron pásztázás

Abszorpciós fotometria

Pósfay Péter. ELTE, Wigner FK Témavezetők: Jakovác Antal, Barnaföldi Gergely G.

Optika és Relativitáselmélet

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

Átírás:

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás Dobos László Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék dobos@complex.elte.hu É 5.60 2017. április 28.

A kozmikus háttérsugárzás eredete Az ősi plazmában a fotonok folyamatosan szóródnak A Nagy Bumm után 380 ezer évvel: rekombináció a hőmérséklet bőven a H ionizációs energiája alá csökkent 3000 K hőmérséklet környékén (Saha-egyenletből) a H atomok rekombinálódtak az univerzum fokozatosan átlátszóvá válik Az utolsó szóródás felülete a fotonok még utoljára szóródnak a plazmában a szabad úthosszuk nagyon nagy lesz (free streaming) 13,8 md év alatt elérnek hozzánk is mára már csak 2,7 K, mikrohullámú tartomány A fotonok spektruma spektrumuk az utolsó szóródáskori eloszlásnak felel meg hőmérsékleti eloszlás, de T helyről helyre változik

Az utolsó szóródás felülete A legtávolabbi EM sugárzás alapján megfigyelhető felület hőmérsékletében δt /T 10 5 nagyságrendű fluktuációk a hőmérséklet fluktuációi sűrűségingadozásokra utalnak valaha a Naprendszer helyén is ősi plazma volt a ma látható struktúra tehát csak a plazma sűrűségfluktuációból származhat

COBE - dipól tag

COBE

WMAP

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás térképe Forrás: Planck Konzorcium (2013)

Akusztikus oszcillációk és az utolsó szóródás felülete Lecsatolódás előtt: a horizonton belüli fluktuációk oszcillálnak Az utolsó szóródás felülete őrzi a lecsatolódáskor ott levő oszcilláló módusok lenyomatát minden módus más-más fázissal érkeznek a lecsatolódáshoz emiatt az amplitúdójuk eltérő a hőmérséklet az aktuális sűrűségtől függ adiabatikus módusok Lecsatolódás után: a sűrűségfluktuációkra innentől csak a gravitáció hat lineáris és nem lineáris növekedés

Az adibatikus módusok amplitúdója

Maximális amplitúdójú módusok Mikor maximális adott k hullámszámú módus amplitúdója ha épp volt ideje teljesen összesűrűsödni a rekombinációig 1/4 periódus vagy 3/4 periódus az aktuális akusztikus horizontnak megfelelő méretű vagy ennek felharmonikusai k 1 = v s t A többi módus amplitúdója attól függ, hogy a rekombináció épp milyen fázisban kapta el a módust.

Mit látunk ma az akkori síkhullámokból Sachs Wolfe-effektus épp lecsatolódás előtt álló plazma fluktuációi ahol sűrűbb: picit forróbb, de mélyebb gravitációs potenciál a fotonoknak ki kell jutniuk a potenciálgödörből energiát veszítenek, a mélyről jövő fotonok hidegebbek ezért a sűrűbb helyek hidegebbnek látszanak Projekciós effektusok a fluktuációkat síkhullám-kifejtésben nézhetjük a szóródás felülete egy gömb hogyan látjuk a síkhullámokat a gömbbel elmetszve?

Síkhullám projekciója ϑ ϑ

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás térképe Forrás: Planck Konzorcium (2013)

A hőmérsékletfluktuációk kifejtése gömbi harmonikusokon A hőmérséklet-fluktuációkat gömbi harmonikusok szerint fejtjük ki: T (θ, φ) T 0 = Teljesítményspektrum l l=0 m= l C l = 1 2l + 1 a (lm) Y (lm) (θ, φ) l a lm 2 m= l

A Planck műhold által mért teljesítményspektrum 6000 5000 90 18 Angular scale 1 0.2 0.1 0.07 Dl[µK 2 ] 4000 3000 2000 1000 0 2 10 50 500 1000 1500 2000 2500 Multipole moment, l Forrás: Planck Konzorcium (2013)

A teljesítményspektrum csúcsai Első akusztikus csúcs az a hullámszám, ami t -ig éppen maximálisan összesűrűsödött (1/4 periódus) megfelel az akkori akusztikus horizont r s méretének a z vöröseltolódás a CMB hőmérsékletéből mérhető r s összevethető D A (z)-vel Ω = 1 Második akusztikus csúcs az a hullám, ami t -ig épp 3/4 periódusig jutott a barionok behullanak a sötét anyag által kialakított potenciálba a foton barion kölcsönhatás 1 hullámhosszfüggő módon befolyásolja az amplitúdót emiatt a második csúcs kisebb amplitúdójú, mint az első ebből mérhető a barionikus anyag mennyisége 1 baryon drag

További csúcsok és a plató Harmadik akusztikus csúcs barion sötét anyag arányra érzékeny Magasabb harmonikusok egyre kisebb amplitúdóval Silk-csillapítás miatt Plató nagy szögeknél (kis l-eknél) itt nem várnánk korrelációt, mégis van a korai infláció bizonyítéka mérés csak nagy hibával (Poisson) A kozmikus variancia probléma a háttérsugárzást csak egy pontból tudjuk nincsen kellően nagy statisztikai minta kis l módusból csak kevés van

A háttérsugárzás és az előtér kölcsönhatása Lecsatolódás után a háttérfotonok elvileg szabadon terjednek a térben Az első csillagok és kvazárok a hidrogént újra ionizálják ekkor már az Univerzum sokkal ritkább szóródnak a CMB foton, de nem annyira, hogy a mintázat el tudott volna mosódni

Szunyajev Zeldovics-effektus A galaxishalmazokban forró gáz van röntgen tartományban sugároz sokmillió kelvin hőmérsékletű nagy energiájú elektronok Inverz Compton-szórás egy nagy energiájú elektron kölcsönhatása fotonnal az elektron energiát ad át a fotonnak picit belerúg hátulról Hatása a háttérsugárzás fotonjaira klasztereken történő áthaladáskor a fotonok egy rész energiát nyer a fotoneloszlás hőmérséklete picit megnő

Szunyajev Zeldovics-effektus

Az integrális vagy késői Sachs Wolfe-effektus (ISW) 2 Ha egy foton potenciálgödörbe zuhan energiát nyer potenciálgödörből mászik ki energiát veszít gravitációsan kötött rendszerek esetében E = 0 de ha van Λ, akkor az effektus mindig megjelenik A háttér fotonjai nagy üregeken és szuperklasztereken haladnak át az áthaladás ideje hosszú ezalatt a potenciált a sötét energia megváltoztatja a potenciál laposabbá válik a fotonok nettó energiát nyernek/veszítenek forró/hideg foltok a CMB-n 2 Nem lineáris rendben számolva gyakran Rees Sciama-effektusnak hívjuk

Az integrális Sachs Wolfe-effektus első kimutatása Sok klaszterre és üregre kell összegezni Granett, Neyrinck & Szapudi (2008)

Elektromágneses hullámok polarizációja A z irányba terjedő monokromatikus elektromágneses síkhullám: E x = a x (t)e i(ω 0t θ x (t)) E y = a y (t)e i(ω 0t θ y (t)) a háttérsugárzás se nem koherens, se nem monokromatikus a sugárzás részlegesen polarizált, ha a két komponens korrelál jellemzése a koherenciamátrixszal I ij = E xex Ex Ey Ex E y Ey Ey

Stokes-paraméterek A polarizáció megállapításához jól mérhető mennyiségek kellenek relatív intenzitás különböző polarizációs irányokban Stokes-paraméterek: I = Ex 2 + E 2 y Q = Ex 2 E 2 y U = 2Re( E x Ey ) V = 2Im( E x E y ) U és V nem tűnik könnyen mérhetőnek, de kiderül: I = I (0 ) + I (90 ) Q = I (0 ) I (90 ) U = I (45 ) I (135 ) V = I R I L

Stokes-paraméterek

A lineáris polarizáció eredete A Thomson szórás a beeső fotont szórja lineáris polarizációt okoz ha a beeső sugárzás izotróp nincsen nettó polarizáció

A lineáris polarizáció eredete Ha a beeső sugárzásnak van kvadrupól komponense az nettó lineáris polarizációt okoz.

A lineáris polarizáció kovarianciatenzora A lineáris polarizációt leíró Stokes-paraméterek tenzorba rendezhetők: ( ) Q U P ab = 1 2 U Q A polarizáció CMB esetén a gömbön van értelmezve: P ab = P ab (θ, φ)

Az E és B módusok P ab (θ, φ) a Helmholtz-dekompozícióhoz hasonlóan felbontható rotációmentes és divergenciamentes tagokra ezeket rögtön ki lehet fejteni a gömbi harmonikusok megfelelő általánosításának terén P ab (θ, φ) l [ ] = a(lm) E T Y (lm)ab E (θ, φ) + ab (lm) Y (lm)ab B (θ, φ) 0 l=2 m= l Az Y(lm) E és Y (lm) B függvények a hagyományos gömbfüggvények θ szerinti első és második deriváltjainak tenzorba rendezéséből jönnek. Ebből különböző keresztkorrelációs spektrumokat lehet definiálni: Cl AB = 1 l alm A 2l + 1 ab lm m= l

Kvadrupól anizotrópia Háromféle perturbáció okoz kvadrupól anizotrópiát m = 0: skalárperturbációk : csak E m = ±1: vektorperturbációk : B dominál m = ±2: gravitációs hullámok : E és B egyformán Ez lokálisan igaz, egy síkhullámot tekintve. felösszegzünk az összes hullámszámra mi átöröklődik át a végső polarizációs mintázatba? a paritás, vagyis az E és B módusok nem keverednek a hőmérséklet fluktuációival vett korreláció

Miért fontos a polarizáció mérése? A korai univerzumból származó B módusok a vektorperturbációk hamar kihalnak csak a korai gravitációs hullámokból jöhetnek (tenzorperturbációk) vagy az előtérből! A hőmérsékleti anizotrópiát erősen befolyásolja az előtér: Szunyajev Zeldovics-effektus Rees Schiama-effektus (integrált Sachs Wolfe-effektus) A polarizáció az előtérre sokkal kevésbé érzékeny gravitációs lencsézés okozhat E B keveredést galaktikus forrása is lehet a B módusnak

A BB-keresztkorreláció teljesítményspektruma

A galaktikus előtér Forrás: Planck Konzorcium (2013)