复合与最后散射

宇宙大爆炸后约38万年，宇宙冷却到足以使电子和质子结合成中性氢，从而释放出我们现在所见的宇宙微波背景辐射。

Definition

复合是宇宙学上的一个时期，自由电子和质子结合成中性氢；最后散射是稍晚的时刻，光子停止频繁地与电子散射并开始自由传播，定义了宇宙微波背景辐射起源的有效表面。

Scope

本主题涵盖了复合时期，即原初等离子体变为中性的时期，以及由此导致的光子与物质的解耦，宇宙微波背景辐射自由流出的最后散射面，以及塑造观测到的背景的这一转变的厚度和物理学。

Core questions

• 为什么宇宙在复合时变得透明？
• 什么是最后散射面？
• 解耦的物理学如何塑造宇宙微波背景？

Key concepts

• 复合
• 解耦
• 最后散射面
• 中性氢
• 自由电子分数
• 光学深度

Key theories

宇宙复合

随着宇宙膨胀并冷却到几千开尔文以下，电子和质子结合成中性氢，从而急剧降低了自由电子密度和光子散射。

光子解耦

一旦复合移除了大部分自由电子，光子的平均自由程变得大于视界，因此它们与物质解耦，并从最后散射面开始自由传播至今。

Mechanisms

温度下降使电离平衡发生变化，质子捕获电子形成中性氢的速度快于辐射使其再电离的速度；随着自由电子的耗尽，汤姆逊散射变得稀少，光学深度降至一以下，光子最后一次散射，开始它们自由地向我们传播的旅程。

Clinical relevance

复合设定了宇宙微波背景的起源，并确定了其特征的红移和物理尺度：最后散射时的声学视界充当标准尺，解耦的细节决定了用于测量宇宙学参数的温度各向异性的阻尼和可见性。

History

复合历史最初由皮布尔斯（Peebles）以及泽尔多维奇（Zeldovich）及其合作者于1968年详细计算，确定了最后散射的红移接近1100；后来的改进完善了氢和氦复合的处理，这对于精确宇宙学是必需的。

Debates

复合精度对精确宇宙学的影响

以百分之几的精度从宇宙微波背景中提取宇宙学参数，要求复合模型达到可比的精度，这促使人们不断完善过渡过程的原子物理学。

Key figures

• James Peebles
• Yakov Zeldovich
• Rashid Sunyaev

Seminal works

• peebles1968

Frequently asked questions

如果电子和质子以前从未结合过，为什么称之为“复合”？

这个术语是历史性的，并且略有误导：在早期宇宙中，电子和质子以前从未结合过，所以这实际上是它们的首次结合，但“复合”这个名称在宇宙学中仍然是标准用法。

最后散射面是一个真实的表面吗？

它不是一个物理表面，而是到达我们的宇宙微波背景光子最后一次散射的点集；因为解耦需要一定时间，所以它实际上是一个有限厚度的壳层，而不是一个无限薄的表面。