CMB & Recombination — KP Science simulation

📐 Cosmic Microwave Background — เสียงสะท้อนของ Big Bang

ก่อน Recombination

เอกภพเป็น opaque plasma · photon ชนกับ free electron ตลอดเวลา

ที่ T สูง electron มีพลังงานมากเกินกว่าจะถูก nucleus ดึงไว้ · plasma เต็มไปด้วย ions, electrons, photons · photon เดินทางได้ระยะสั้นมาก (~mean free path) ก่อนชน → เอกภพไม่โปร่งใส

σ_Thomson · n_e · L >> 1 → opaque

Recombination (z ≈ 1100, t ≈ 380,000 ปี)

T ลดถึง ~3,000 K → electron จับ proton เป็น H อะตอม → photon หลุดเป็นอิสระ

เมื่อ kT < binding energy of H (13.6 eV) electron ถูกดึงเข้า nucleus เป็น neutral atom · photon ไม่มี free electron ให้ชน → "decoupling" · เอกภพกลายเป็นโปร่งใสครั้งแรก · photon ที่หลุดในช่วงนี้คือ CMB

T_dec ≈ 3,000 K @ z ≈ 1100 · t ≈ 380,000 yr

Cosmological Redshift

13.8 พันล้านปีต่อมา · CMB photon ถูก redshift → T_now = 2.725 K

scale factor เพิ่มเป็น 1100 เท่า → wavelength ก็ stretch 1100 เท่า → spectrum ยังเป็น perfect blackbody · COBE (1992) วัด T_now = 2.725 ± 0.001 K → ตรงกับการทำนาย Big Bang อย่างน่าทึ่ง

T_now = T_dec / (1+z) = 3000 / 1101 ≈ 2.73 K | λ_peak = 2.9 mm/T → 1.06 mm

การค้นพบและรางวัลโนเบล

Penzias & Wilson (1965) ค้นพบโดยบังเอิญ → Nobel Prize 1978

ขณะปรับ horn antenna ที่ Bell Labs · มี noise ที่หาที่มาไม่เจอ ในทุกทิศทาง · ตรงกับการทำนายของ Gamow (1948) ว่า Big Bang ควรเหลือรังสีตกค้างประมาณ 5 K · ภายหลัง: COBE (1992 → Mather, Smoot Nobel 2006) · WMAP (2003) · Planck (2013–2018)

CMB คือภาพ "อดีต"

เห็น CMB = เห็นเอกภพตอนอายุ 380,000 ปี

เพราะแสงเดินทางใช้เวลา · ดู CMB คือดูภาพเอกภพในยุคนั้นโดยตรง · เป็น "ภาพถ่ายที่เก่าที่สุด" ที่เราเห็นได้ของเอกภพ · ก่อนหน้านี้ opaque หมด