Recombinaison et dernière diffusion

Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'univers s'est suffisamment refroidi pour que les électrons et les protons se combinent en hydrogène neutre, libérant ainsi le rayonnement que nous observons aujourd'hui sous la forme du fond diffus cosmologique.

Definition

La recombinaison est l'époque cosmologique au cours de laquelle les électrons et les protons libres se sont combinés pour former de l'hydrogène neutre, et la dernière diffusion est le moment, légèrement postérieur, où les photons ont cessé de diffuser fréquemment sur les électrons et ont commencé à voyager librement, définissant ainsi la surface effective d'où provient le fond diffus cosmologique.

Scope

Ce sujet couvre l'époque de la recombinaison, lorsque le plasma primordial est devenu neutre, le découplage des photons de la matière qui en a résulté, la surface de dernière diffusion d'où le fond diffus cosmologique s'échappe librement, ainsi que l'épaisseur et la physique de cette transition qui façonnent le fond observé.

Core questions

• Pourquoi l'univers est-il devenu transparent lors de la recombinaison ?
• Qu'est-ce que la surface de dernière diffusion ?
• Comment la physique du découplage façonne-t-elle le fond diffus cosmologique ?

Key concepts

• Recombinaison
• Découplage
• Surface de dernière diffusion
• Hydrogène neutre
• Fraction d'électrons libres
• Profondeur optique

Key theories

Recombinaison cosmologique

À mesure que l'univers s'est étendu et refroidi en dessous de quelques milliers de kelvins, les électrons et les protons se sont liés pour former de l'hydrogène neutre, réduisant fortement la densité d'électrons libres et la diffusion des photons.

Découplage des photons

Une fois que la recombinaison a éliminé la plupart des électrons libres, le libre parcours moyen des photons est devenu plus grand que l'horizon, de sorte qu'ils se sont découplés de la matière et se sont propagés librement depuis la surface de dernière diffusion.

Mechanisms

La baisse de température a déplacé l'équilibre d'ionisation de sorte que les électrons capturés par les protons ont formé de l'hydrogène neutre plus rapidement que le rayonnement ne pouvait le réioniser ; les électrons libres étant épuisés, la diffusion Thomson est devenue rare, la profondeur optique est tombée en dessous de un, et les photons ont diffusé une dernière fois pour commencer leur voyage libre vers nous.

Clinical relevance

La recombinaison détermine l'origine du fond diffus cosmologique et fixe le décalage vers le rouge (redshift) et l'échelle physique de ses caractéristiques : l'horizon sonore lors de la dernière diffusion agit comme une règle standard, et les détails du découplage déterminent l'amortissement et la visibilité des anisotropies de température utilisées pour mesurer les paramètres cosmologiques.

History

L'histoire de la recombinaison a été calculée pour la première fois en détail par Peebles et indépendamment par Zeldovich et ses collaborateurs en 1968, établissant le décalage vers le rouge de la dernière diffusion aux environs de 1100 ; des améliorations ultérieures ont perfectionné le traitement de la recombinaison de l'hydrogène et de l'hélium nécessaire à la cosmologie de précision.

Debates

Précision de la recombinaison pour la cosmologie de précision

L'extraction de paramètres cosmologiques du fond diffus cosmologique avec une précision de l'ordre du pour cent exige que la recombinaison soit modélisée avec une précision comparable, ce qui motive l'affinement continu de la physique atomique de cette transition.

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• Rashid Sunyaev

Seminal works

• peebles1968

Frequently asked questions

Pourquoi parle-t-on de recombinaison si les électrons et les protons n'avaient jamais été combinés auparavant ?

Le terme est historique et légèrement trompeur : dans l'univers primordial, les électrons et les protons n'avaient jamais été liés auparavant, il s'agissait donc en réalité de leur première combinaison, mais le nom de recombinaison est resté standard en cosmologie.

La surface de dernière diffusion est-elle une surface réelle ?

Ce n'est pas une surface physique, mais l'ensemble des points d'où les photons du fond diffus cosmologique qui nous parviennent ont diffusé pour la dernière fois ; comme le découplage a pris un certain temps, il s'agit en fait d'une coquille d'épaisseur finie plutôt que d'une surface infiniment mince.