Рекомбинация и последнее рассеяние

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы электроны и протоны могли объединиться в нейтральный водород, высвобождая излучение, которое мы теперь наблюдаем как космический микроволновый фон.

Definition

Рекомбинация — это космологическая эпоха, в которую свободные электроны и протоны объединились в нейтральный водород, а последнее рассеяние — это момент, немного более поздний, когда фотоны перестали часто рассеиваться на электронах и начали свободно распространяться, определяя эффективную поверхность, из которой исходит космический микроволновый фон.

Scope

Эта тема охватывает эпоху рекомбинации, когда первичное плазменное состояние стало нейтральным, последующее разделение фотонов и вещества, поверхность последнего рассеяния, откуда свободно распространяется космический микроволновый фон, а также толщину и физику этого перехода, которые формируют наблюдаемый фон.

Core questions

• Почему Вселенная стала прозрачной при рекомбинации?
• Что такое поверхность последнего рассеяния?
• Как физика разделения формирует космический микроволновый фон?

Key concepts

• Рекомбинация
• Разделение
• Поверхность последнего рассеяния
• Нейтральный водород
• Доля свободных электронов
• Оптическая глубина

Key theories

Космологическая рекомбинация

По мере расширения и охлаждения Вселенной ниже нескольких тысяч кельвинов электроны и протоны связывались в нейтральный водород, резко уменьшая плотность свободных электронов и рассеяние фотонов.

Разделение фотонов

После того как рекомбинация удалила большинство свободных электронов, средний свободный пробег фотонов стал больше горизонта, поэтому они отделились от вещества и с тех пор свободно распространяются от поверхности последнего рассеяния.

Mechanisms

Падающая температура сместила ионизационное равновесие таким образом, что электроны, захваченные протонами, образовывали нейтральный водород быстрее, чем излучение могло его реионизировать; по мере истощения свободных электронов томсоновское рассеяние стало редким, оптическая глубина упала ниже единицы, и фотоны в последний раз рассеялись, чтобы начать свое свободное путешествие к нам.

Clinical relevance

Рекомбинация определяет происхождение космического микроволнового фона и фиксирует красное смещение и физический масштаб его особенностей: звуковой горизонт при последнем рассеянии действует как стандартная линейка, а детали разделения определяют затухание и видимость температурных анизотропий, используемых для измерения космологических параметров.

History

История рекомбинации была впервые подробно рассчитана Пиблсом и независимо Зельдовичем с сотрудниками в 1968 году, установив красное смещение последнего рассеяния около 1100; более поздние уточнения улучшили описание рекомбинации водорода и гелия, необходимое для прецизионной космологии.

Debates

Точность рекомбинации для прецизионной космологии

Извлечение космологических параметров из космического микроволнового фона с точностью до процента требует моделирования рекомбинации с сопоставимой точностью, что мотивирует постоянное уточнение атомной физики перехода.

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• Rashid Sunyaev

Seminal works

• peebles1968

Frequently asked questions

Почему это называется рекомбинацией, если электроны и протоны никогда раньше не были объединены?

Термин является историческим и несколько вводящим в заблуждение: в ранней Вселенной электроны и протоны никогда ранее не были связаны, поэтому это было их первое объединение, но название «рекомбинация» осталось стандартным в космологии.

Является ли поверхность последнего рассеяния реальной поверхностью?

Это не физическая поверхность, а совокупность точек, из которых фотоны космического микроволнового фона, достигающие нас, рассеялись в последний раз; поскольку разделение заняло некоторое время, это на самом деле оболочка конечной толщины, а не бесконечно тонкая поверхность.