再結合と最終散乱

ビッグバンから約38万年後、宇宙は十分に冷却され、電子と陽子が結合して中性水素を形成し、現在私たちが宇宙マイクロ波背景放射として観測する放射線が解放されました。

Definition

再結合とは、自由電子と陽子が結合して中性水素を形成した宇宙論的時代であり、最終散乱とは、そのわずか後に光子が電子との頻繁な散乱をやめ、自由に移動し始めた瞬間であり、宇宙マイクロ波背景放射が発生する有効な面を定義します。

Scope

このトピックでは、初期プラズマが中性になった再結合の時代、それに続く光子と物質のデカップリング、宇宙マイクロ波背景放射が自由に流れる最終散乱面、そして観測される背景放射を形作るこの遷移の厚さと物理学について扱います。

Core questions

• なぜ宇宙は再結合時に透明になったのですか？
• 最終散乱面とは何ですか？
• デカップリングの物理学は宇宙マイクロ波背景放射をどのように形作りますか？

Key concepts

• 再結合
• デカップリング
• 最終散乱面
• 中性水素
• 自由電子の割合
• 光学的深さ

Key theories

宇宙論的再結合

宇宙が膨張し、数千ケルビン以下に冷却されるにつれて、電子と陽子が結合して中性水素を形成し、自由電子密度と光子の散乱を急激に減少させました。

光子デカップリング

再結合によってほとんどの自由電子が除去されると、光子の平均自由行程は地平線よりも大きくなり、それらは物質からデカップリングし、最終散乱面からそれ以来自由に伝播しています。

Mechanisms

温度の低下により電離平衡が変化し、陽子に捕獲された電子が、放射線が再電離するよりも速く中性水素を形成しました。自由電子が枯渇したことで、トムソン散乱は稀になり、光学的深さは1未満に低下し、光子は最終散乱して私たちへの自由な旅を開始しました。

Clinical relevance

再結合は宇宙マイクロ波背景放射の起源を定め、その特徴の赤方偏移と物理的スケールを固定します。最終散乱における音響地平線は標準的な物差しとして機能し、デカップリングの詳細は、宇宙論的パラメータを測定するために使用される温度異方性の減衰と視認性を決定します。

History

再結合の歴史は、1968年にピーブルスによって、また独立してゼルドビッチとその共同研究者によって詳細に計算され、最終散乱の赤方偏移が約1100であることが確立されました。その後の改良により、精密宇宙論に必要な水素とヘリウムの再結合の扱いが改善されました。

Debates

精密宇宙論における再結合の精度

宇宙マイクロ波背景放射から宇宙論的パラメータをパーセント精度で抽出するには、再結合を同等の精度でモデル化する必要があり、遷移の原子物理学の継続的な改良が促されています。

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• Rashid Sunyaev

Seminal works

• peebles1968

Frequently asked questions

電子と陽子が以前に結合したことがないのに、なぜ再結合と呼ばれるのですか？

この用語は歴史的であり、やや誤解を招くものです。初期宇宙では電子と陽子が以前に結合したことはなかったので、これは実際にはそれらの最初の結合でしたが、「再結合」という名前は宇宙論において標準として残っています。

最終散乱面は実際の表面ですか？

それは物理的な表面ではなく、私たちに到達する宇宙マイクロ波背景放射光子が最後に散乱した点の集合です。デカップリングにはある程度の時間がかかったため、それは無限に薄い表面ではなく、有限の厚さを持つシェルです。