¿Cuánta energía total representa la radiación de fondo cósmica?

Como explicó Viktor, la cantidad de energía que golpea una superficie a escala humana del CMB es absolutamente pequeña. Sin embargo, si desea saber cuánta energía hay (en lugar de golpear alguna superficie), debe usar la densidad de energía de la radiación del cuerpo negro, en lugar de su intensidad.

Usando la “constante de radiación” (una forma modificada de la constante de Stefan-Boltzmann), obtenemos

[matemáticas] u = aT ^ 4 \ aprox 4 \ veces 10 ^ {- 14} \ text {J / m} ^ 3 [/ matemáticas],

Una densidad de energía absolutamente pequeña. Pero, cuando multiplica por el volumen del Universo (observable) (digamos que tiene un radio de aproximadamente 46 mil millones de años luz), obtiene una friolera

[matemáticas] E \ aproximadamente 10 ^ {67} \ text {J} [/ matemáticas]!

Esta es una cantidad de energía realmente espectacular, tan grande que es difícil incluso explicar qué tan grande es, pero lo intentaré.

Imagine toda la energía producida por el Sol (no solo la parte que golpea la Tierra, toda ella ) en el transcurso de mil millones de años. Ahora, imagine que de alguna manera podríamos almacenar toda esa energía en una batería mágica que solo tenía un centímetro cúbico de volumen. El almacenamiento de toda la energía en el CMB en nuestro Universo observable usando tales baterías aún ocuparía casi tanto espacio como la combinación de todos los océanos de la Tierra. O, en términos diferentes: si apilabas estas baterías, podrías construir un cubo de más de mil kilómetros a cada lado.

Mucha energía Pero, ¡ay, nada de eso es utilizable!

Muy poco.

El CMB es una emisión casi perfecta de radiación térmica de cuerpo negro a aprox. [matemáticas] 2.7 ~ {\ rm K} [/ matemáticas]. La emisión es igual a la absorción de acuerdo con la ley de Kirchoff para la radiación. La ley de Stefan-Boltzmann nos dice que un emisor perfecto emite [matemáticas] j ^ \ star = \ sigma T ^ 4 [/ matemáticas] vatios por metro cuadrado, donde [matemáticas] \ sigma = 5.67 \ veces 10 ^ {- 8} ~ {\ rm W} / {\ rm m} ^ 2 / {\ rm K} ^ 4 [/ math] es la constante de Stefan-Boltzmann y [math] T [/ math] es la temperatura. Al conectar [math] 2.7 ~ {\ rm K} [/ math] se obtienen unos tres microvatios por metro cuadrado. Así que esto también es lo que absorbe perfectamente un absorbente perfecto, bañado en [matemática] 2.7 ~ {\ rm K} [/ matemática].

Por supuesto, la Tierra es un lugar grande, y toda la Tierra recibe tanto como un gigavatio de radiación CMB. Pero para comparar, la irradiación solar es aproximadamente [matemática] 1370 ~ {\ rm W} / {\ rm m} ^ 2 [/ matemática], más de mil millones de veces la potencia del CMB.

Se dice que el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) es la forma ‘conocida’ más antigua de fotones que fluyen libremente o radiación electromagnética en el universo. La densidad de energía del CMB es de aproximadamente 4.0933 x 10 ^ -14 J / m ^ 3. Matemáticamente, es la misma energía que se deriva si un electrón podría “desacoplarse” y liberar la mitad de su energía de masa total en forma de fotones de luz de la siguiente manera:

(9.109 x 10 ^ -31 kg o masa de electrones) x (C ^ 2) / 2 = 4.0933 x 10 ^ -14 Julios o 0.2558 MeV o 2.96 grados Kelvin o 1.258 x 10 ^ -3 fotones eV. Eso está muy cerca de las mediciones de Penzias y Wilson en 1964, y la energía fotónica CMB observada hoy o 1.168 x 10 ^ -3 eV fotones. Si hay 5.0 x 10 ^ 78 electrones de hidrógeno en el universo, entonces la energía total del CMB es de aproximadamente 2 x 10 ^ 65 julios.