Recombinação e Último Espalhamento

Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o universo arrefeceu o suficiente para que eletrões e protões se combinassem em hidrogénio neutro, libertando a radiação que agora vemos como o fundo cósmico de micro-ondas.

Definition

Recombinação é a época cosmológica em que eletrões e protões livres se combinaram em hidrogénio neutro, e último espalhamento é o momento, ligeiramente posterior, em que os fotões deixaram de espalhar-se frequentemente pelos eletrões e começaram a viajar livremente, definindo a superfície efetiva da qual o fundo cósmico de micro-ondas se origina.

Scope

Este tópico abrange a época da recombinação, quando o plasma primordial se tornou neutro, o consequente desacoplamento dos fotões da matéria, a superfície de último espalhamento da qual o fundo cósmico de micro-ondas flui livremente, e a espessura e física desta transição que moldam o fundo observado.

Core questions

• Por que o universo se tornou transparente na recombinação?
• O que é a superfície de último espalhamento?
• Como a física do desacoplamento molda o fundo cósmico de micro-ondas?

Key concepts

• Recombinação
• Desacoplamento
• Superfície de último espalhamento
• Hidrogénio neutro
• Fração de eletrões livres
• Profundidade ótica

Key theories

Recombinação cosmológica

À medida que o universo se expandia e arrefecia abaixo de alguns milhares de Kelvin, eletrões e protões ligaram-se em hidrogénio neutro, reduzindo drasticamente a densidade de eletrões livres e o espalhamento de fotões.

Desacoplamento de fotões

Uma vez que a recombinação removeu a maioria dos eletrões livres, o caminho livre médio dos fotões tornou-se maior do que o horizonte, de modo que se desacoplaram da matéria e desde então se propagaram livremente da superfície de último espalhamento.

Mechanisms

A queda da temperatura deslocou o equilíbrio de ionização de modo que os eletrões capturados pelos protões formaram hidrogénio neutro mais rapidamente do que a radiação poderia reionizá-lo; com os eletrões livres esgotados, o espalhamento de Thomson tornou-se raro, a profundidade ótica caiu abaixo de um, e os fotões espalharam-se pela última vez para iniciar a sua jornada livre até nós.

Clinical relevance

A recombinação estabelece a origem do fundo cósmico de micro-ondas e fixa o desvio para o vermelho e a escala física das suas características: o horizonte sonoro no último espalhamento atua como uma régua padrão, e os detalhes do desacoplamento determinam o amortecimento e a visibilidade das anisotropias de temperatura usadas para medir parâmetros cosmológicos.

History

A história da recombinação foi primeiramente calculada em detalhe por Peebles e independentemente por Zeldovich e colaboradores em 1968, estabelecendo o desvio para o vermelho do último espalhamento perto de 1100; refinamentos posteriores melhoraram o tratamento da recombinação de hidrogénio e hélio necessária para a cosmologia de precisão.

Debates

Precisão da recombinação para cosmologia de precisão

A extração de parâmetros cosmológicos do fundo cósmico de micro-ondas com precisão percentual exige que a recombinação seja modelada com precisão comparável, motivando o refinamento contínuo da física atómica da transição.

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• Rashid Sunyaev

Seminal works

• peebles1968

Frequently asked questions

Por que é chamada recombinação se eletrões e protões nunca estiveram combinados antes?

O termo é histórico e ligeiramente enganador: no universo primordial, eletrões e protões nunca tinham estado ligados anteriormente, então esta foi na verdade a sua primeira combinação, mas o nome recombinação permaneceu padrão em cosmologia.

A superfície de último espalhamento é uma superfície real?

Não é uma superfície física, mas o conjunto de pontos de onde os fotões do fundo cósmico de micro-ondas que nos chegam se espalharam pela última vez; como o desacoplamento levou algum tempo, é na verdade uma camada de espessura finita em vez de uma superfície infinitamente fina.