3.13 Космическое микроволновое фоновое излучение: от «пластины, почерневшей от шума», к тонким узорам пути и рельефа

Главная ／ Глава 3: макроскопическая Вселенная

Термины и рамки
Мы рассматриваем «происхождение пластины, механизм узоров, правки по пути зрения, крупномасштабную направленность и двойственность поляризации» в связке нити–море–тензор. В ранней Вселенной обобщённые нестабильные частицы (GUP) непрерывно рождались и распадались; суммарная длительность их действия и «тяга» формировали рельеф статистической тензорной гравитации (STG). Их распады/аннигиляция возвращали в среду слабые волновые пакеты, складываясь в тензорный фоновой шум (TBN). Далее используем полные русские наименования. Для интуитивных опор один раз вводим энергетические нити (Energy Threads) и энергетическое море (Energy Sea).

I. Что именно мы наблюдаем?
Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — почти однородная «пластина» с температурой около 2,7 K, но не сплошная по рисунку. Видны регулярные акустические пики и спады, сглаживание на малых углах и поляризация, разделённая на доминирующий E-мод и более слабый B-мод. На сверхбольших углах проявляются намёки на предпочтительные направления: полушарная асимметрия, выравнивания низких ℓ, «холодное пятно».
Три линии связно описывают картину: ранняя «фиксация» фона (тон и ритм), переработка по пути (линзирование и «матирование»), а также сверхгоризонтный рельеф с слабой направленностью. Модель нити–море–тензор соединяет их в одну физическую цепочку.

II. Почему база почти чёрнотельная: как ранний тензорный шум «почернил» CMB (механизм и шкалы времени)

Сразу вывод.
Раннее «энергетическое море» было оптически очень толстым: сильное столкновение и рассеяние, крошечные свободные пробеги. Обобщённые нестабильные частицы непрерывно подмешивали широкополосные мало-когерентные возмущения — тензорный фоновой шум. В сильно связанной «каше» этот шум быстро приводился к почти идеальному чёрнотельному спектру. После становления прозрачности фотоны донесли «пластину» до нас.

• Толстый «котёл»: сильная связь и быстрое рассеяние
  Частые взаимодействия фотонов с заряженной плазмой выравнивали энергию, направления и фазы: любой «осколок энергии» многократно поглощался и переизлучался.
• «Почернение»: настраивается и энергия, и «смесь цветов»
  Среда стирала частотные предпочтения и вела излучение к чёрнотельной форме, оставляя единую температурную шкалу.
• Порядок времён: t_почернения ≪ t_макро ≲ t_развязки
  Почернение шло быстрее макроэволюции. Сначала закрепилась база, затем она медленно эволюционировала — форма сохранилась.
• Установка температурной шкалы
  Суммарная инъекция тензорного фонового шума задала уровень температуры. Когда микроканалы «подкраски» по частотам замёрзли, шкала зафиксировалась и охладилась до 2,7 K.
• После прозрачности форма не меняется
  Эффекты по пути зрения сдвигают яркость без «окраски» по частотам, поэтому чёрнотельная форма держится, меняется лишь угловая структура.
• Источник высокой однородности
  Почернение произошло в «самое плотное» время, когда быстрые обмены сглаживали анизотропии. Развязка зафиксировала малыe остатки; последующие правки были мягкими.

Итог: тензорный фоновой шум → быстрое почернение → почти чёрнотельная база с единой температурой; это объясняет спектральную «идеальность» и высокую равномерность CMB.

III. Как «вырезался» узор: компрессия–отдача и окно когерентности (акустическая «мембрана барабана»)

1. «Дыхание» между тягой и давлением
   Фотон-барионная жидкость колебалась между гравитационным притяжением и упругим ответом давления. Возникали акустические волны — как рябь на слегка нажимаемой мембране.
2. Окно когерентности и стандартная линейка
   Сильнее всего резонировали лишь некоторые длины волн. Они и оставили регулярные интервалы пик–спад в спектрах температуры и поляризации — акустическую «линейку».
3. Кадр на момент развязки
   В последний миг рассеяния зафиксировались фазы и амплитуды: где компрессия, где разрежение, какова величина и плотность «ритма». Контраст нечётных/чётных пиков кодирует «нагруженность и скорость»: барионная нагрузка повышает пики компрессии.
4. Как читать графики

• Интервалы между пиками: предел распространения и геометрическая мера.
• Нечёт/чёт: барионная нагрузка и эффективность отдачи.
• Фаза TE: проверка правильности «записи» акустического ритма.

IV. «Линза и матирование» по пути: переадресация лучей, смягчение краёв и утечка E→B (переработка вдоль луча)

1. Статистическая тензорная гравитация как толстое, слегка изогнутое стекло

• Смягчение малых масштабов: пики скругляются, мощность уходит к большим углам.
• E→B-утечка: основная E-структура по дороге частично закручивается в B.
• Совместные карты: B-мод должен положительно коррелировать с картами сходимости/сдвига (κ/φ), тем сильнее, чем меньше масштаб; величины смягчения и лensing-реконструкция по четырёхточечной функции должны согласованно описывать один и тот же рельеф.

2. Тензорный фоновой шум как широкополосное «матовое стекло»
   Поздний слабый диффузный фон форму чёрного тела не меняет, но ещё чуть смягчает кромки и добавляет крошечную E→B-утечку. Его сила должна слабо коррелировать с активными структурами, без ярко выраженной «окраски».
3. Эволюция по пути: ахроматический сдвиг
   Проход через медленно меняющийся крупномасштабный рельеф целиком «охлаждает» или «нагревает» линию зрения. Ключевой отпечаток — одинаковый знак сдвига во всех диапазонах; это отличает эффект пути от «цветных» фореграундов. Вклад дают и ранние переходы, и поздние углубления/отдачи; ожидается слабая положительная корреляция с трассировщиками LSS (φ, плотность галактик).
4. Тонкое «матирование» от эпохи реионизации
   Свободные электроны слегка сглаживают температуру на малых углах и регенерируют крупноугловой E-мод. Этот вклад следует учитывать совместно с вкладом статистической тензорной гравитации и тензорного фонового шума.

Шпаргалка-диагностика:

• Совпадающий по знаку холод/жар в нескольких диапазонах ⇒ эволюция по пути.
• Смягчение малых масштабов, со-вариантное с крупной структурой ⇒ доминирует статистическая тензорная гравитация.
• Дополнительное лёгкое уширение без заметной дисперсии ⇒ остаточный тензорный фоновой шум.

V. Сверхбольшие масштабы и направленность: «ископаемые» гребни и коридоры рельефа

• Предпочтительные оси
  Если сверхгоризонтный рельеф содержит гребни/коридоры/впадины, низшие мультиполи выстраиваются: полушарная асимметрия, низко-ℓ-выравнивания. Это геометрические проекции, а не случайные аномалии.
• Блочные холод/жар
  Линии зрения через эволюционирующий рельеф кажутся целиком холоднее или теплее. Перекрёстия с интегральным эффектом Сакса—Вольфа, лensing-картами и индикаторами расстояний должны давать слабые согласованные отклики.
• Чёрнотельная форма не нарушается
  Меняются яркость и ориентация, а не частотная «смесь». Базовая форма остаётся.

VI. Два «ствола» поляризации: E — основная ткань, B — скручивание и утечка

1. E-мод (главная «пластина»)
   Анизотропии «мембраны барабана» при развязке через рассеяние напрямую отпечатались в упорядоченный поляризационный рисунок, синфазный с температурной серией. Корреляция TE — его визитная карточка.
2. B-мод (в основном рождается по дороге)
   Переадресация лучей статистической тензорной гравитацией скручивает часть E в B; тензорный фоновой шум добавляет небольшую утечку.

• Поэтому B слаб, а его корреляция со сходимостью/сдвигом масштаб-зависима и растёт к меньшим масштабам.
• Сильный крупноугловой B означал бы ранние поперечные упругие волны гравитационного типа, хотя для пояснения текущих наблюдений он не обязателен.

VII. Как извлекать физику из графиков (оперативное руководство)

• Линейка: интервалы пик–спад ⇒ акустическая шкала и предел распространения.
• Нагрузка: нечёт/чёт ⇒ барионная нагрузка и эффективность отдачи; фаза/амплитуда TE валидируют «ритм».
• Смягчение: больше сглаживания на малом угле ⇒ «толще» рельеф или сильнее фоновой шум; совместные ограничения с φ-картами и четырёхточечной реконструкцией.
• Направление: искать предпочтительную ось/полушарную разницу; сверять с weak-lensing, BAO и остатками по расстояниям.
• Ахроматичность: совпадающие сдвиги между диапазонами ⇒ эффект пути; «цветные» сдвиги ⇒ фореграунды (пыль, синхротрон, free–free).
• Корреляция B–κ: усиление к малым масштабам ⇒ доминирует линзирование; после delensing остаточный B ограничивает тензорный фоновой шум и/или поперечные волны.

VIII. По сравнению с учебником: что сохраняем, что добавляем (и что обещаем проверить)

1. Сохраняем

• Сильно связанный акустический этап, «сфотографированный» при развязке.
• Поздние мягкие правки линзированием и реионизацией.

2. Добавляем/уточняем

• Происхождение базы: почти чёрнотельная основа возникает при быстром почернении тензорного фонового шума — без дополнительных компонентов.
• Бюджет сглаживания: маломасштабное смягчение — сумма статистической тензорной гравитации и тензорного фонового шума, а не один параметр «силы линзы».
• Адрес аномалий: полушарная асимметрия, низко-ℓ-выравнивания и «холодное пятно» — естественные отпечатки тензорного рельефа и должны эхом проявляться в разных данных.

3. Проверяемые обещания

• Одна общая карта рельефа уменьшает остатки одновременно в линзировании CMB и в слабом линзировании галактик.
• Корреляция B–конвергенция усиливается к малым масштабам.
• Ахроматические сдвиги движутся согласованно между диапазонами.
• В направлении «холодного пятна» видны слабые согласованные корреляции в ISW, расстояниях и конвергенции.

IX. Систематика: как отделять «рельеф/путь» от «фореграундов/инструмента»

• Ахроматика vs «цвет»: ахроматика ⇒ эволюция пути; «цвет» ⇒ фореграунды (пыль, синхротрон).
• Перекрёст B–κ: значимая связь ⇒ достоверное линзирование статистической тензорной гравитацией; при отсутствии — проверять протечки поляризации.
• Мультидиапазонные «замки»: чёрнотельная кривая фиксирует базу; спектральные остатки (μ/y) ограничивают поздние инъекции фонового шума.
• Четырёхточечная/φ-реконструкция: согласие с сглаживанием TT/TE/EE ⇒ один и тот же рельеф управляет фазой, амплитудой и негауссовостью.

X. Верификация и взгляд вперёд (что может опровергнуть и что усилит)

• P1 | Общая карта: подгонка сглаживания CMB и слабого линзирования одной φ/κ-картой; совместная сходимость остатков поддерживает первенство статистической тензорной гравитации.
• P2 | Остаточный B после delensing: широкополосный слабокогерентный уклон — в пользу конечной доли фонового шума; крупноугловой «горб» — в пользу ранних поперечных волн.
• P3 | Ахроматический кросс с ISW: одинаковые по знаку сдвиги CMB–LSS/φ укрепляют трактовку «эволюции по пути».
• P4 | Эхо «холодного пятна»: слабые согласованные отклики в ISW, расстояниях и конвергенции подтверждают реликт рельефа, а не случайный шум.
• P5 | Верхние пределы μ/y: ужесточение спектральных лимитов — слабее поздняя инъекция шума; ослабление — количественная доля шума.

XI. Запоминающаяся метафора: барабанная кожа и матовое стекло

1. Стадия «кожи»: туго натянутая мембрана (высокая тензорная «натяжённость»), усыпанная микрокаплями (вбросы возмущений). Натяг и нагрузка задают ритм компрессии–отдачи.
2. Кадр-заморозка: развязка «фотографирует» узор того мгновения.
3. Взгляд сквозь стекло: позже мы видим пластину через слегка волнистое (статистическая тензорная гравитация) и чуть матовое (остаточный шум) стекло:

• волны округляют рисунок;
• матирование смягчает края;
• медленная деформация охлаждает/нагревает области без изменения «цвета».
  Так выглядит CMB сегодня.

Четыре строки для памяти

• База из шума: ранний тензорный фоновой шум быстро почернел в толстом «котле», установив почти чёрнотельную базу и единую температуру.
• Узор из ритма: связанная акустическая фаза вырезала согласованные ритмы (пики–спады и E-мод).
• Лёгкая «операция» по пути: статистическая тензорная гравитация округляет и даёт E→B-утечку; тензорный фоновой шум смягчает; эволюция пути оставляет ахроматические сдвиги.
• Крупные масштабы — не «плохие данные»: полушарная асимметрия, низко-ℓ-выравнивания и холодное пятно — реликты рельефа, ожидаемо эхирующие в разных наблюдениях.

В заключение
Единая картина — «пластина, почерневшая от шума + тень натянутого рельефа + мягкие правки по пути» — сохраняет учебную сущность акустических пиков и даёт сглаживанию, B-моду, направленности и «аномалиям» конкретные физические источники и проверяемые маршруты. Следуя семи шагам — линейка, нагрузка, сглаживание, направление, ахроматический сдвиг, корреляция B–κ и остаточный B после delensing, — мы связываем разрозненные признаки в согласованную тензорную карту Вселенной.