宇宙マイクロ波背景放射：ビッグバンの熱的エコー

ビッグバンの化石放射

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、ビッグバンから約38万年後に放たれた残存電磁放射です。この時代、宇宙は十分に冷却され、最初の水素原子が形成され、宇宙が光に対して透明になりました。この放射は当時宇宙全体に満ちていましたが、宇宙の膨張によってセンチメートル波長まで引き伸ばされ、現在の平均温度は\(2.725\ \text{K}\)に相当します。

ほぼ完全な黒体

COBE衛星（1989年）、WMAP（2001-2010年）、プランク（2009-2013年）の測定により、CMBのスペクトルは黒体放射の法則に驚くほどよく従うことが示されました。

このスペクトル分布は、宇宙マイクロ波背景放射が熱平衡にある放射であり、かつて常に相互作用していた光子、電子、陽子のプラズマから放出されたことを示しています。

N.B.：
黒体は、入射するすべてのエネルギーを完全に吸収し、温度のみに依存する放射を再放出する完全な物理システムです。 そのスペクトルは、スペクトルエネルギー密度を周波数\(\nu\)と温度\(T\)に関連付けるプランクの法則によって記述されます： \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\)。 宇宙マイクロ波背景放射は、理論からのずれが\(10^{-5}\)未満という、自然界で最も良く知られた黒体放射の例です。

異方性：初期のゆらぎの痕跡

その驚くべき均一性にもかかわらず、CMBにはわずかな異方性（温度ゆらぎは\(10^{-5}\)オーダー）が存在します。これらの不均一性は、宇宙膨張によって増幅された原初の量子ゆらぎの痕跡です。これらは、宇宙の大規模構造の形成の種となりました。

WMAPとプランクのミッションは、これらの異方性を前例のない精度でマッピングし、ハブル定数\(H_0\)、物質密度\(\Omega_m\)、暗黒エネルギー密度\(\Omega_\Lambda\)などの宇宙論的パラメータに対する重要な制約を提供しました。

偏光と原初宇宙の記憶

宇宙マイクロ波背景放射の偏光は、再結合以前に起こった物理過程に関する追加情報を提供します。特に、Bモード偏光の検出は、アラン・グース（1947年生）によって定式化された宇宙インフレーション理論によって予測された原初重力波の存在を明らかにする可能性があります。

これらの重力波は、化石放射のテクスチャに微妙な痕跡を残し、宇宙史の最初の\(10^{-35}\ \text{s}\)に対する間接的なテストを提供します。

基礎物理学への窓

宇宙マイクロ波背景放射は過去の遺物であるだけでなく、基礎物理学への窓でもあります。そのスペクトルと偏光で測定されたわずかなずれは、FLRW宇宙のモデルとアルバート・アインシュタイン（1879-1955）の一般相対性理論の予測を検証します。

CMBの解析により、我々の宇宙が0.4%以内の精度で空間的に平坦であること、そして可視物質が総エネルギー内容の約5%しか占めておらず、残りは暗黒物質と暗黒エネルギーによって占められていることが確認されました。

N.B.：
宇宙マイクロ波背景放射は可視領域では観測できません。その放射は当初赤外線領域にありましたが、膨張因子\((1 + z) \approx 1100\)によって引き伸ばされ、現在そのスペクトルピークは約\(160\ \text{GHz}\)にあります。

ソース： WMAPサイエンスチーム、 ESAプランク・レガシー・アーカイブ。