การรวมตัวใหม่และการกระเจิงครั้งสุดท้าย

ประมาณ 380,000 ปีหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang) เอกภพเย็นลงมากพอที่อิเล็กตรอนและโปรตอนจะรวมตัวกันเป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ทำให้รังสีที่ปัจจุบันเราเห็นเป็นพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเป็นอิสระ

Definition

การรวมตัวใหม่ (recombination) คือยุคทางจักรวาลวิทยาที่อิเล็กตรอนอิสระและโปรตอนรวมตัวกันเป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลาง และการกระเจิงครั้งสุดท้าย (last scattering) คือช่วงเวลาหลังจากนั้นเล็กน้อยที่โฟตอนหยุดการกระเจิงกับอิเล็กตรอนบ่อยครั้งและเริ่มเคลื่อนที่อย่างอิสระ ซึ่งกำหนดพื้นผิวที่มีผลซึ่งพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลกำเนิดขึ้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมยุคของการรวมตัวใหม่ (recombination) เมื่อพลาสมาดั้งเดิมกลายเป็นกลาง การแยกตัวของโฟตอนออกจากสสารที่เกิดขึ้นตามมา พื้นผิวของการกระเจิงครั้งสุดท้าย (last scattering) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลที่แผ่กระจายอย่างอิสระ และความหนาและฟิสิกส์ของการเปลี่ยนผ่านนี้ที่กำหนดลักษณะของพื้นหลังที่สังเกตได้

Core questions

• ทำไมเอกภพจึงโปร่งใสขึ้นเมื่อเกิดการรวมตัวใหม่?
• พื้นผิวของการกระเจิงครั้งสุดท้ายคืออะไร?
• ฟิสิกส์ของการแยกตัวมีผลต่อพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลอย่างไร?

Key concepts

• การรวมตัวใหม่
• การแยกตัว
• พื้นผิวของการกระเจิงครั้งสุดท้าย
• ไฮโดรเจนที่เป็นกลาง
• สัดส่วนอิเล็กตรอนอิสระ
• ความลึกเชิงแสง

Key theories

การรวมตัวใหม่ทางจักรวาลวิทยา

เมื่อเอกภพขยายตัวและเย็นลงต่ำกว่าสองสามพันเคลวิน อิเล็กตรอนและโปรตอนก็รวมตัวกันเป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ซึ่งลดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระและการกระเจิงของโฟตอนลงอย่างมาก

การแยกตัวของโฟตอน

เมื่อการรวมตัวใหม่ได้กำจัดอิเล็กตรอนอิสระส่วนใหญ่ออกไปแล้ว ระยะทางอิสระเฉลี่ย (mean free path) ของโฟตอนก็ใหญ่กว่าขอบฟ้า ดังนั้นพวกมันจึงแยกตัวออกจากสสารและได้แผ่กระจายอย่างอิสระตั้งแต่นั้นมาจากพื้นผิวของการกระเจิงครั้งสุดท้าย

Mechanisms

อุณหภูมิที่ลดลงทำให้สมดุลของการแตกตัวเป็นไอออนเปลี่ยนไป โดยที่อิเล็กตรอนที่ถูกจับโดยโปรตอนก่อตัวเป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลางเร็วกว่าที่รังสีจะสามารถแตกตัวเป็นไอออนใหม่ได้ เมื่ออิเล็กตรอนอิสระลดลง การกระเจิงแบบทอมสัน (Thomson scattering) ก็เกิดขึ้นได้ยากขึ้น ความลึกเชิงแสง (optical depth) ลดลงต่ำกว่าหนึ่ง และโฟตอนก็กระเจิงเป็นครั้งสุดท้ายเพื่อเริ่มต้นการเดินทางอย่างอิสระมายังเรา

Clinical relevance

การรวมตัวใหม่กำหนดจุดกำเนิดของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล และกำหนดค่าการเลื่อนแดง (redshift) และมาตราส่วนทางกายภาพของลักษณะเฉพาะ: ขอบฟ้าเสียง (sound horizon) ณ การกระเจิงครั้งสุดท้ายทำหน้าที่เป็นไม้บรรทัดมาตรฐาน และรายละเอียดของการแยกตัว (decoupling) กำหนดการลดทอนและการมองเห็นของความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิ (temperature anisotropies) ที่ใช้ในการวัดพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยา

History

ประวัติการรวมตัวใหม่ถูกคำนวณอย่างละเอียดเป็นครั้งแรกโดย Peebles และโดย Zeldovich และคณะอย่างอิสระในปี 1968 โดยกำหนดค่าการเลื่อนแดงของการกระเจิงครั้งสุดท้ายไว้ใกล้ 1100; การปรับปรุงในภายหลังได้ปรับปรุงการคำนวณการรวมตัวใหม่ของไฮโดรเจนและฮีเลียมที่จำเป็นสำหรับจักรวาลวิทยาที่มีความแม่นยำสูง

Debates

ความแม่นยำของการรวมตัวใหม่สำหรับจักรวาลวิทยาที่มีความแม่นยำสูง

การสกัดพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลด้วยความแม่นยำระดับเปอร์เซ็นต์จำเป็นต้องมีการสร้างแบบจำลองการรวมตัวใหม่ที่มีความแม่นยำเทียบเท่ากัน ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการปรับปรุงฟิสิกส์อะตอมของการเปลี่ยนผ่านอย่างต่อเนื่อง

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• Rashid Sunyaev

Seminal works

• peebles1968

Frequently asked questions

ทำไมจึงเรียกว่าการรวมตัวใหม่ (recombination) ทั้งที่อิเล็กตรอนและโปรตอนไม่เคยรวมตัวกันมาก่อน?

คำนี้เป็นคำทางประวัติศาสตร์และอาจทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย: ในเอกภพยุคแรก อิเล็กตรอนและโปรตอนไม่เคยถูกผูกมัดกันมาก่อน ดังนั้นนี่จึงเป็นการรวมตัวกันครั้งแรกของพวกมัน แต่ชื่อการรวมตัวใหม่ยังคงเป็นมาตรฐานในจักรวาลวิทยา

พื้นผิวของการกระเจิงครั้งสุดท้ายเป็นพื้นผิวจริงหรือไม่?

ไม่ใช่พื้นผิวทางกายภาพ แต่เป็นชุดของจุดที่โฟตอนพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลที่มาถึงเราได้กระเจิงเป็นครั้งสุดท้าย; เนื่องจากการแยกตัวใช้เวลาช่วงหนึ่ง จึงเป็นชั้นที่มีความหนาจำกัดมากกว่าที่จะเป็นพื้นผิวที่บางเฉียบ