Эффект Сакса — Вольфа и красное смещение в космологии

Введение

Явление красного смещения в космологии

Эффект Сакса — Вульфа, названный в честь Райнера К. Сакса и Артура М. Вулфа, — это свойство космического микроволнового фонового излучения (КМФ), при котором фотоны КМФ испытывают гравитационное красное смещение, что приводит к неоднородностям в спектре КМФ. Этот эффект является основным источником флуктуаций в КМФ для угловых масштабов, превышающих примерно десять градусов.

Неинтегрированный эффект Сакс-Волфа

Неинтегрированный эффект Сакса — Вольфа обусловлен гравитационным красным смещением, происходящим на поверхности последнего рассеяния. Эффект непостоянен по всему небу из-за различий в плотности материи и энергии в момент последнего рассеяния.

Интегрированный эффект Сакса-Волфа

Интегрированный эффект Сакса-Волфа (ISW) также вызван гравитационным красным смещением, но он возникает между поверхностью последнего рассеяния и Землей, поэтому не является частью первичного CMB. Он проявляется, когда плотность энергии во Вселенной определяется не материей. Если во Вселенной доминирует материя, то крупномасштабные гравитационные потенциальные ямы и возвышенности существенно не изменяются. Однако, если во Вселенной преобладает излучение или темная энергия, эти потенциалы эволюционируют, незначительно меняя энергию фотонов, проходящих сквозь них. Существует два вклада в эффект ISW. Эффект ISW "раннего времени" возникает сразу после того, как (неинтегрированный) эффект Сакса-Волфа формирует первичный CMB, когда фотоны проходят через флуктуации плотности, в то время как достаточное количество излучения все еще влияет на расширение Вселенной. Хотя физически он идентичен эффекту ISW "позднего времени", для целей наблюдения он обычно объединяется с первичным CMB, поскольку вызывающие его флуктуации материи на практике неопределимы.

Позднеинтегрированный эффект Сакс-Волфа

Эффект ISW "позднего времени" возникает относительно недавно в космической истории, когда темная энергия, или космологическая константа, начинает доминировать в расширении Вселенной. К сожалению, используемая терминология несколько запутанна. Часто под "поздним ISW" подразумевается эффект ISW "позднего времени", рассматриваемый в линейном приближении (первом порядке) по возмущениям плотности. Эта линейная составляющая эффекта полностью исчезает в плоской Вселенной, содержащей только материю, но преобладает над составляющей более высокого порядка во Вселенной с темной энергией. Полный нелинейный (линейный + составляющие более высокого порядка) эффект ISW "позднего времени", особенно в случае отдельных пустот и скоплений, иногда называют эффектом Риса — Скаймы, поскольку Мартин Рис и Деннис Скайма прояснили лежащую в его основе физическую картину. Ускоренное расширение, вызванное темной энергией, приводит к тому, что даже сильные крупномасштабные гравитационные потенциальные ямы (суперкластеры) и возвышенности (пустоты) со временем разрушаются, за время прохождения через них фотона. Фотон получает прирост энергии, входя в гравитационную яму (суперкластер), и сохраняет часть этой энергии, покидая ее, после того как яма растянулась и стала менее выраженной. Аналогично, фотону требуется затратить энергию при входе в суперпустоту, но он не сможет полностью восстановить ее при выходе из слегка уменьшенной потенциальной возвышенности. Характерным признаком эффекта ISW "позднего времени" является ненулевая функция перекрестной корреляции между плотностью галактик (числом галактик на квадратный градус) и температурой реликтового излучения, поскольку суперкластеры слегка нагревают фотоны, а суперпустоты – слегка охлаждают. Эта корреляция была обнаружена со средней и высокой степенью достоверности. В мае 2008 года Гранетт, Нейринк и Сапуди показали, что эффект ISW "позднего времени" можно связать с дискретными суперпустотами и суперкластерами, идентифицированными в каталоге светлых красных галактик SDSS. Их обнаружение ISW отслеживает локализованный эффект ISW, оказываемый суперпустотами и суперкластерами на реликтовое излучение. Однако амплитуда этого локализованного обнаружения остается предметом споров, поскольку она значительно превышает теоретические предсказания и зависит от ряда предположений, сделанных при анализе.