Sunjaev Zeldovič efekat

Krajem 60ih – početkom 70ih godina prošlog veka dva teoretičara iz oblasti fizike, Rashid Sunyaev i Yakov Zel’dovich, postavili su sebi, ali i drugim naučnicima pitanje: šta se dešava sa fotonima kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenje kada prolaze kroz zvezdana jata na putu do Zemlje? 

CMBR

Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje (Cosmic Microwave Background Radiation) je reliktno zračenje nastalo u periodu rekombinacije, oko 300 hiljada godina nakon Velikog praska. Period rekombinacije označava epohu koja se vezuje za nastanak svemira u kojoj dolazi do stvaranja prvih atoma neutralnog vodonika. Spajanjem visoko energetskih elektronama sa protonima, u cilju formiranja atoma vodonika, dolazi do emitovanja fotona – prenosioca svetlosti. Fotoni su konačno odvojeni od materije i formiraju prvobitno zračenje, danas poznato kao CMBR. Ovo zračenje nastalo je na temperaturi približnoj 3000K, ali se tokom godina hladilo zajedno sa univerzumom. Analizom podataka koje je prikupio satelit COBE utvrđeno je da se raspodela ovog zračenja poklapa sa raspodelom zračenja apsolutno crnog tela na temperaturi od 2,7K.

CMBR

Apsolutno crno telo

Apsolutno crno telo je fizička idealizacija tela koje apsorbuje celokupno upadno zračenje. Zračenje ACT naziva se termodinamički ravnotežno i zavisi samo od temperature tela. Da bi se uspostavila termodinamička ravnoteža potrebno je da telo koje zrači bude potpuno izolovano od okoline dok se njegova temperatura ne izjednači u svim delovima. Ovakvi uslovi se u stvarnosti nikada ne mogu postići i zbog toga je ACT samo idealizacija koja se koristi kao model za slučajeve gde su uslovi bliski termodinačkoj ravnoteži.

Model ACT bi bila šupljina koja se održava na konstantnoj temperaturi i kojoj je zračenje homogeno i izotropno (zračenje koje je apsorbovano i emitovano atomima zida šupljine ispunjava je ravnomerno u svim pravcima). Kada bi se na toj šupljini napravio mali otvor, tako da se ne naruši termodinamička ravnoteža, intenzitet zračenja bi bio u funkciji od vremena i talasne dužine.

Klasična fizika predviđa ultraljubičastu katastrofu, odnosno da je u ovakvom slučaju funkcija intenziteta zračenja uvek rastuća, što bi zahtevalo beskonačnu količinu energije. Ovaj fenomen objašnjava Plank, uvođenjem svog zakona kvantne fizike, koji kaže da energija može biti samo celobrojni umnožak kvanta energije.

spekatar zračenja CMBR-a

CMBR posmatramo kao skoro savršen primer crnog tela, što znači da u njegovom spektru postoje određene nepravilnosti, tj. neizotropnosti na osnovu kojih zaključujemo o nastanku i evoluciji univerzuma.

Sunyaev-Zel’dovich efekat

Sunyaev-Zel’dovich je spektralni efekat CMBR-a usled interakcije sa elektronima unutar galaktičkih jata. Tokom prolaska CMBR-a kroz galaktička jata može doći do: termalnog i kinematičkog efekta.

Termalni Sunyaev-Zel’dovich efekat nastaje preko inverznog Komptonovog zračenje, usled reakcije fotona CMBR-a sa visokoenergetskim elektronima iz galaktičkih jata koji im predaju deo svoje energije. Tako je spekatar CMBR-a pomeren ka višim energijama, a time mu je povećana i temperatura, odakle potiče naziv.

Kinematički Sunyaev-Zel’dovich je efekat kod koga se rasejanje fotona dešava usled kretanja galaktičkih jata (misli se na kretanje jata u odnosu na CMBR). Zbog kretanja jata dolazi do Doplerovog pomeraja frekvencije fotona. Ovaj efekat se manifestuje u znatnoj manjoj meri u odnosu na termalni efekat i zbog toga ga je jako teško detektovati nezavisno od njega.

Sunyaev i Zel’dovich osmislili su koncept detektovanja kinematičkog efekta koji se bazira na posmatranju velike grupe (reč je o 7,5 hiljada) masivnih galaktičkih jata. Uvedena je veličina koja predstavlja meru udaljavanja, odnosno približavanja jata. Ako bi raspodela brzina jata bila potpuno slučajna vrednost ove veličine bila bi nula. Koristeći se dosadašnjim znanjima, očekuje se da će se masivnija jata kretati jedna ka drugima. Primenjujući ovaj princip na svaka dva jata dobijeno je da pomenuta veličina zaista odstupa od nule. Ovo predstavlja prvi dokaz kretanja galaktičkih jata preko kinematičkog Sunyaev-Zel’dovich efekta.

Autor: Anđela Ranković