확산 댐핑

현대 우주론에서 광자 확산 댐핑이라고도 불리는 확산 댐핑은 초기 우주의 밀도 불평등(비등분포)을 감소시켜 우주 자체와 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)를 보다 균일하게 만드는 물리적 과정이다.빅뱅 이후 약 30만년 후, 재조합의 시대 동안, 광자가 우주의 뜨거운 지역에서 차가운 지역으로 이동하는 광자를 분산시켜, 이들 지역의 온도를 균등하게 한다.이러한 영향은 중력이 전자기 방사선에 미치는 중력의 영향과 함께 바이론 음향 진동, 도플러 효과와 함께 은하와 은하단의 궁극적인 형성에 책임이 있으며, 이것들은 우주에서 관측되는 지배적인 대형 구조물이다.그것은 확산에 의한 댐핑이지 확산에 의한 댐핑이 아니다.^[1]

확산 댐핑 강도는 CMB 내 섭동의 진폭을 설명하는 방정식인 볼츠만 방정식으로 계산되는 댐핑 계수에 대한 수학 식에 의해 계산된다.^[2]확산 댐핑의 강도는 주로 광자가 산란되기 전의 거리(확산 길이)에 의해 제어된다.확산 길이에 대한 일차적인 영향은 해당 플라즈마의 특성에서 나타난다. 다른 종류의 플라즈마가 다른 종류의 확산 감쇠 현상을 경험할 수 있다.플라즈마의 진화는 댐핑 과정에도 영향을 미칠 수 있다.^[3]확산 댐핑이 작동하는 스케일을 실크 스케일이라고 하며 그 값은 오늘날의 은하 크기와 일치한다.실크 눈금 안에 포함된 질량을 실크 질량이라고 하며 은하의 질량에 해당한다.^[4]

소개

각도 스케일(또는 멀티폴 모멘트) 측면에서 우주 마이크로파 배경 방사선 온도 음이소트로피의 전력 스펙트럼.확산 댐핑은 l ≳ 1000일 때 전력 피크의 억제에서 쉽게 볼 수 있다.^[5]

확산 댐핑은 약 138억년 전에 ^[6]재조합 또는 물질-방사선 디커플링이라고 불리는 초기 우주의 단계에서 일어났다.이 시기는 빅뱅 이후 약 32만 년 후에 일어났다.^[7]이것은 약 z = 1090의 적색 편향에 해당한다.^[8]재조합은 수소와 헬륨과 같은 단순한 원자들이 냉각 속에서 형성되기 시작했지만 여전히 매우 뜨거운 양자, 전자, 광자의 수프가 우주를 구성하는 단계였다.재결합 시대 이전에는 플라즈마인 이 수프는 광자의 전자기 방사선에 대체로 불투명했다.이것은 영구적으로 흥분한 광자들이 양자와 전자에 의해 너무 자주 산란되어 직선으로 매우 멀리 이동하지 못한다는 것을 의미했다.^[9]재결합 시대 동안, 우주는 원자핵에 의해 자유 전자가 잡히면서 급속도로 냉각되었다; 원자들은 그들의 구성 부분으로부터 형성되고 우주는 투명해졌다: 광자 산란량이 극적으로 감소했다.덜 산란할 경우 광자는 훨씬 더 먼 거리를 분산(이동)할 수 있다.^[1]^[10]유사한 상황에서 광자가 가능한 한 멀리 확산할 수 없는 전자에 대한 유의한 확산 감쇠는 없었다.따라서 전자 확산에 의한 모든 댐핑은 광자 확산 댐핑과 비교할 때 무시할 수 있다.^[11]

우주의 초기 밀도 변동의 음향 동요는 우주의 일부 지역을 다른 지역보다 더 뜨겁고 밀도 있게 만들었다.^[12]이러한 온도와 밀도의 차이를 음이소트로피라고 한다.플라즈마의 뜨겁고 과용된 부위에서 차갑고 저급한 부위로 확산된 광자: 그들은 양자와 전자를 따라 끌고 갔다. 광자는 전자를 밀어내고, 이것들은 쿨롱의 힘에 의해 양자를 잡아당겼다.이로 인해 고온과 저온 지역의 온도와 밀도가 평균화되고 우주는 비등방성(특이적으로 다양함)이 적고 동등방성(특이적으로 균일함)이 높아졌다.이러한 음이소트로피 감소는 확산 댐핑의 댐핑이다.그러므로 확산 댐핑은 초기 우주의 온도와 밀도를 축축하게 한다.양변 물질(양자와 전자)이 광자와 함께 밀도가 높은 지역에서 빠져나오면서 온도와 밀도 불평등이 극적으로 축축해졌다.즉, 감쇠 과정에서 광자에 대한 바이런의 비율은 일정하게 유지되었다.^[3]^[13]^[14]^[15]^[16]

광자 확산은 천체물리학저널(The Astrophysical Journal)에 게재된 1968년 조셉 실크의 "우주 흑체 방사선과 은하 형성"^[17]이라는 논문에서 처음 설명되었다.이와 같이 확산 댐핑은 때때로 실크 댐핑이라고도 불리지만, 이 용어는 하나의 가능한 댐핑 시나리오에만 적용될 수 있다.^[5]^[11]^[18]^[19]따라서 실크 댐핑은 발견자의 이름을 따서 명명되었다.^[4]^[19]^[20]

규모

확산 댐핑의 크기는 CMB 내 섭동의 진폭을 설명하는 방정식인 볼츠만 방정식을 나타내는 ${\mathcal {D}}$ D ${\$ 로 대표되는 감쇠 계수 또는 억제 계수로 계산된다 ${\mathcal {D}}$ ^[2]확산 댐핑의 강도는 주로 광자가 산란되기 전의 거리(확산 길이)에 의해 제어된다.확산 길이에 영향을 미치는 것은 주로 해당 플라즈마의 특성이다. 다른 종류의 플라즈마가 다른 종류의 확산 감쇠 현상을 경험할 수 있다.플라즈마의 진화는 댐핑 과정에도 영향을 미칠 수 있다.^[3]

{\mathit{k}}}=\int _{0}^{\eta _{0}{\mathit{k}/{\mathit{k}/{\mathit{k}}}{\mathit{d}}}{{\mathit{D}}}\data.}.}}}}

^[2]

위치:

$\eta$ $\eta$ 은 $\eta$ (는) 등호 시간이다.
${\$ 은(는) "톰슨 산란을 위한 차등 광학 깊이"이다 ${\dot {\tau }}$ .톰슨 산란은 전자와 같은 전하 입자에 의해 전자기 복사(빛)가 산란되는 것이다.^[2]
${\mathit {k}}$ ${\$ 은 ${\mathit {k}}$ (는) 억제되는 파동의 파동 수입니다.^[21]
$({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ - $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ [ k $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ / $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ ( $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ ) $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ 2 $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ ) ${\dot {\tau }e^{-[{\\mathit{k}/{\mathit{k}_{\mathit{D}}}(\eta )}^{2}})}}$ 는 가시성 기능이다 $({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}})$ .^[2]
${{\mathit{k}_{\mathit{D}(\eta )={2\pi }/\lambda _{\mathit{D}}}}$

우주 마이크로파 배경 복사(CMB)를 위해 볼츠만 방정식에 포함되었을 ${\mathcal {D}}$ 때 감쇠 ${\mathcal {D}}$ D ${\$ {\ $mathcal {D}}$ 은(는) 동요의 진폭을 줄인다.

[\theta _{0}+\psi ](\eta _{\ast }}=[{\hat {\\]Theta }_{0}+\PSI ](\eta _{\ast }}}{\mathcal{D}}}{\mathit{k}}).

^[2]

위치:^[2]^[22]

${\$ 은(는) 디커플링 시의 등호 시간이다 ${\mathit {\eta }}_{\ast }$ .
$\Theta _{0}$ ${\$ {0 $}$ 는 "광자 분배 기능의 모노폴 [Perturbation]"^[2]이다 $\Theta _{0}$ .
$\Psi$ 은(는) "뉴턴 게이지의 중력-잠재성[Perturbation]"이다 $\Psi$ .뉴턴 계기는 일반 상대성 이론에서 중요한 양을 말한다.^[2]
$[\Theta _{0}+\Psi ](\eta )$ $[\Theta _{0}+\Psi ](\eta )$ $[\Theta _{0}+\Psi ](\eta )$ + ] $[\Theta _{0}+\Psi ](\eta )$ ( $[\Theta _{0}+\Psi ](\eta )$ ) $[\Teta _{0}+\PSI ](\eta )$ 이 $[\Theta _{0}+\Psi ](\eta )$ (가) 유효 온도다.

3차원의 무작위 산책.확산 댐핑에서는 고온 영역의 광자가 무작위 보행에 의해 저온 영역으로 확산되기 때문에,

{\mathit {N}}

{\

{\

mathit{N}

스텝

{\mathit {N}}

후 광자는 거리

\lambda _{D}={\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{C}

\lambda _{D}={\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{C}

=

\lambda _{D}={\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{C}

\lambda _{D}={\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{C}

\lambda _{D}={\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{C}

{\

감쇠계수의 수학적 계산은 ${\mathit {k}}_{\mathit {D}}$ ${\mathit {k}}_{\mathit {D}}$ ${\$ 또는 유효확산척도에 따라 달라지며, 이는 다시 결정적인 값인 확산 길이 $\lambda _{\mathit {D}}$ $\lambda _{\mathit {D}}$ ${\$ 에 따라 달라진다 $\lambda _{\mathit {D}}$ ^[23]확산 길이는 광자가 확산하는 동안 얼마나 멀리 이동하는지와 관련되며, 임의의 방향으로 제한된 수의 짧은 스텝으로 구성된다.The average of these steps is the Compton mean free path, and is denoted by $\lambda _{\mathit {C}}$ . As the direction of these steps are randomly taken, $\lambda _{\mathit {D}}$ is approximately equal to ${\displaystyle {\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{\mathit {C$ ${\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{\mathit {C}}$ 여기서 ${\mathit {N}}$ ${\$ 은(는) 디커플링 시 광자가 정합 시간 전에 취하는 단계 수입니다 ${\mathit {N}}$ ( ${\mathit {\eta }}_{\ast }$ ${\mathit {\eta }}_{\ast }$ {\ $displaystyle {\mathit{\eta }_{\ast }).$ ^[3]

평균 자유 경로가 광자 산란이 덜 일어나기 때문에 재결합 시 확산 길이가 증가한다. 이는 확산과 댐핑의 양을 증가시킨다.평균 자유 경로는 전자 이온화 비율인 ${\mathit {x}}_{\mathit {e}}$ ${\mathit {x}}_{\mathit {e}}$ ${\$ 이온화 수소 및 헬륨이 자유 전하 전자와 결합함에 따라 감소하기 때문에 증가한다.이 경우 평균 자유경로는 비례적으로 증가한다. $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ b $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ ) $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ - $\lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^{-1}$ ${\$ 1 $1$ }.즉, 광자의 평균 자유 경로가 전자 이온화 비율과 바이론 수 밀도( ${\mathit {n}}_{\mathit {b}}$ ${\mathit {n}}_{\mathit {b}}$ ${\$ 에 반비례한다.즉, 바이런이 많아질수록, 이온화 될수록 평균적인 광자는 하나를 만나 흩어지기 전에 이동 시간이 짧아질 수 있다는 것이다.^[3]재조합 전 또는 재조합 중에 이러한 값들에 대한 작은 변화는 댐핑 효과를 상당히 증가시킬 수 있다.^[3]광자 확산에 의한 중등 밀도에 대한 이러한 의존은 과학자들이 후자의 분석을 사용하여 이온화 역사에 더하여 전자를 조사할 수 있게 한다.^[23]

확산 댐핑의 효과는 마지막 산란 표면의 유한폭(SLS)에 의해 크게 증대된다.^[24]SLS의 유한폭은 우리가 보는 CMB 광자가 모두 동시에 방출되지 않았고, 우리가 보는 변동은 모두 위상일 수 없다는 것을 의미한다.^[25]그것은 또한 재결합 동안 확산 길이가 이온화 비율이 이동함에 따라 극적으로 변했다는 것을 의미한다.^[26]

모델 의존성

일반적으로 확산 감쇠는 연구 중인 우주론적 모델과 독립적으로 그 영향을 생성하여 다른 모델 의존적 현상의 영향을 가려준다.이는 과학자들이 정확한 확산 댐핑 모델이 없으면 이론적 예측을 관측 데이터와 비교할 수 없는 우주 모델의 상대적 장점을 판단할 수 없다는 것을 의미하며, 이 데이터는 댐핑 효과에 의해 가려진다.예를 들어, 음향 진동에 의한 전력 스펙트럼의 피크는 확산 감쇠에 의해 진폭에서 감소한다.전력 스펙트럼의 이러한 증상은 곡선의 특징, 그렇지 않으면 더 잘 보일 수 있는 특징을 숨긴다.^[27]^[28]

일반 확산 댐핑은 단순히 광자 분산으로 인한 충돌 없는 암흑물질의 동요를 감쇠시킬 수 있지만, 비단 댐핑이라는 용어는 흑자가 아닌 광자와 결합하여 광자와 광자가 서로 확산되는 이변성 물질의 부차적 모델의 감쇠에만 적용된다.^[11]^[18]^[19]실크 댐핑은 초기에 발생했던 암호화폐 변동(즉, 바이런과 광자의 일정한 비율을 요구하지 않는 변동)인 우주 개발 모델에서 그다지 중요하지 않다.이 경우, 2차 밀도의 증가는 해당 광자 밀도의 증가를 요구하지 않으며, 광자 밀도가 낮을수록 확산이 적어진다: 확산이 적을수록 댐핑이 감소한다.^[16]광자 확산은 우주 밀도의 초기 변동의 원인에 의존하지 않는다.^[23]

영향들

속도

댐핑은 두 가지 다른 척도에서 발생하며, 공정이 긴 거리보다 짧은 범위에서 더 빠르게 작동한다.여기서 짧은 길이는 광자의 평균 자유 경로보다 낮은 길이다.장거리는 평균 자유 경로보다 큰 거리(확산 길이보다 작을 경우)이다.작은 규모로 보면 동요는 거의 순간적으로 습기가 차게 된다.더 큰 규모로 볼 때, 음이소트로피는 더 천천히 감소하며, 허블 시간의 한 단위 내에서 상당한 저하가 발생한다.^[11]

실크의 비늘과 실크의 질량

확산 감쇠는 1도보다 훨씬 작거나 약 3메가파섹보다 작은 척도로 CMB의 음이소트로피를 기하급수적으로 감소시킨다.^[4]^[5]이 각도 척도는 멀티폴 모멘트 ${\mathit {l}}\gtrsim 800$ ${\mathit {l}}\gtrsim 800$ ${\mathit {l}}\gtrsim 800$ ${\mathit {l}\gtrsim 800$ 에 해당된다 ${\mathit {l}}\gtrsim 800$ ^[15]^[29]비단 저울 안에 들어 있는 질량은 비단 질량이다.실크의 질량 산출량에 대한 수치적 평가는 재조합^[30] 시 10 ${\$ 태양 $10^{13}$ 질량의 순서와 현 시대의 현재 은하단 또는 은하단 질량의 순서에 따라 이루어진다.^[4]^[11]

{{\mathit{M}_{\mathit{s}\p}{\frac {{\mathit{m}}{{\mathit{t}}}{\\mathit{{rec}}}}}{\sqrt{n}}}}}}{\mathit {rec}sigma ^{3}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}.

과학자들은 확산 댐핑이 작은 각도와 그에 상응하는 음이소트로피에 영향을 미친다고 말한다.다른 효과는 중간 $10\lesssim {\mathit {l}}\lesssim 100$ ≲ $10\lesssim {\mathit {l}}\lesssim 100$ $10\lesssim {\mathit {l}}\lesssim 100$ $10\lesssim {\mathit {l}}\lesssim 100$ $(\displaystyle 100){\$ displaystyle 10 $\lesssim{l}$ 또는 $10\lesssim {\mathit {l}}\lesssim 100$ 큰 ${\mathit {l}}\lessapprox 10$ ${\mathit {l}}\lessapprox 10$ ${\mathit {l}}\lessapprox 10$ ${\displaystyle{\mathit{l}\ness$ around $10}$ 라고 하는 척도로 작용한다 ${\mathit {l}}\lessapprox 10$ 작은 척도의 음이소트로피에 대한 검색은 부분적으로 지상 망원경을 채택할 수 있기 때문에 어렵지 않다.그리고 그들의 결과는 현재의 이론적 모델에 의해 더 쉽게 예측될 수 있다.^[31]

은하 형성

과학자들은 주제가 "우주는 어떻게 되었는가?"라는 물음에 제공하는 통찰력 때문에 광자 확산 댐핑(및 일반적으로 CMB 음이소트로피)을 연구한다.구체적으로는 우주의 온도와 밀도에 있는 원시적 음이소트로피가 나중에 대규모 구조 형성의 원인이 되도록 되어 있다.따라서 현 시대의 은하와 은하 클러스터로 성장한 것은 사전 회생 전 우주의 작은 동요의 증폭이었다.확산 감쇠는 실크 눈금의 순서에 따라 우주의 거리 내 등방성을 만들었다.이 척도가 관측된 은하의 크기와 일치한다는 것은 확산 감쇠가 이러한 은하의 크기를 제한하는 원인이 된다는 것을 의미한다.초기 우주의 물질 덩어리는 오늘날 우리가 보는 은하가 되었고, 이 은하들의 크기는 덩어리들의 온도와 밀도와 관련이 있다는 이론이다.^[32]^[33]

확산은 또한 원시 우주 자기장의 진화에 상당한 영향을 미쳤을 수 있는데, 이 자기장은 시간이 지남에 따라 증폭되어 은하 자기장이 되었을 수도 있다.그러나, 이러한 우주 자기장은 복사 확산에 의해 축축되었을지도 모른다: 광자의 확산에 의해 플라스마의 음향 진동이 축축해진 것과 마찬가지로, 자석파(자석화된 플라즈마를 통해 이동하는 이온의 파동)도 축축했다.이 과정은 중성미자 디커플링 시대 이전에 시작되어 재조합 시기에 끝났다.^[30]^[34]

참고 항목

메모들

참조

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외부 링크

Wayne Hu의 "1997 Travelguide to CMB 물리학"에 설명된 확산 댐핑

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