Развязка (космология)

Тип события в ранней Вселенной

В космологии декаплинг — это период в развитии Вселенной , когда различные типы частиц выходят из теплового равновесия друг с другом. Это происходит в результате расширения Вселенной , поскольку скорости их взаимодействия уменьшаются (а средние длины свободного пробега увеличиваются) вплоть до этой критической точки. Два подтвержденных случая разделения после Большого взрыва , которые наиболее часто обсуждаются, - это разделение фотонов и разделение нейтрино , поскольку они привели к космическому микроволновому фону и космическому фону нейтрино соответственно.

Развязка фотонов тесно связана с рекомбинацией , которая произошла примерно через 378 000 лет после Большого взрыва (при красном смещении z  = 1100 г. ), когда Вселенная представляла собой горячую непрозрачную («туманную») плазму . Во время рекомбинации свободные электроны связываются с протонами (ядрами водорода), образуя нейтральные атомы водорода . Поскольку прямая рекомбинация в основное состояние (самая низкая энергия) водорода очень неэффективна, эти атомы водорода обычно образуются с электронами в состоянии с высокой энергией, и электроны быстро переходят в состояние с низкой энергией, испуская фотоны . Поскольку образующийся нейтральный водород был прозрачен для света, те фотоны, которые не были захвачены другими атомами водорода, впервые в истории Вселенной смогли путешествовать на большие расстояния. Их все еще можно обнаружить сегодня, хотя теперь они выглядят как радиоволны и образуют космический микроволновый фон («CMB»). Они открывают важные подсказки о том, как сформировалась Вселенная.

Развязка фотонов

Развязка фотонов произошла в эпоху , известную как рекомбинация. За это время электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода , что привело к резкому падению плотности свободных электронов. Развязка произошла внезапно, когда скорость комптоновского рассеяния фотонов была приблизительно равна скорости расширения Вселенной или, альтернативно, когда средняя длина свободного пробега фотонов была приблизительно равна размеру горизонта Вселенной . После этого фотоны смогли свободно течь , создавая космический микроволновый фон, каким мы его знаем, и Вселенная стала прозрачной. ^[1] ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle H^{-1}}$

Скорость взаимодействия фотонов определяется выражением

${\displaystyle \Gamma ={\frac {c}{\lambda }}=n_{e}\sigma _{e}c}$

где – плотность электронов , – площадь поперечного сечения электронов , – скорость света . ${\displaystyle n_{e}}$ ${\displaystyle \sigma _{e}}$ ${\displaystyle c}$

В эпоху доминирования материи (когда происходит рекомбинация)

${\displaystyle H\varpropto a^{-{3/2}}}$

где - космический масштабный коэффициент . также убывает как более сложная функция от , причем быстрее, чем . ^[2] Разработав точную зависимость и от масштабного фактора и приравняв , можно показать, что разделение фотонов произошло примерно через 380 000 лет после Большого взрыва , при красном смещении [ ^3] , когда Вселенная имела температуру около 3000 К. ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \Gamma =H}$ ${\displaystyle z=1100}$

Развязка нейтрино

Другой пример — разделение нейтрино, произошедшее в течение одной секунды после Большого взрыва. ^[4] Аналогично отделению фотонов, нейтрино отделяются, когда скорость слабых взаимодействий между нейтрино и другими формами материи падает ниже скорости расширения Вселенной, что создает космический нейтринный фон из свободно текущих нейтрино. Важным следствием разделения нейтрино является то, что температура этого нейтринного фона ниже температуры космического микроволнового фона.

ВИМпы: нерелятивистское разделение

Разделение могло также произойти и с кандидатами на темную материю , вимпами . Они известны как «холодные реликты», то есть они отделились после того, как стали нерелятивистскими (для сравнения, фотоны и нейтрино отделились, еще будучи релятивистскими, и известны как «горячие реликты»). Рассчитав гипотетическое время и температуру развязки для нерелятивистских вимпов определенной массы, можно найти их плотность . ^[5] Сравнивая это с измеренным сегодня параметром плотности холодной темной материи, равным 0,222 0,0026 ^[6], можно исключить вимпы определенных масс как разумных кандидатов в темную материю. ^[7] ${\displaystyle \pm }$

Смотрите также

• Рекомбинация
• Хронология Вселенной
• Связь Воутхейсена – Поля

Рекомендации

1. Райден, Барбара Сью (2003). Введение в космологию . Сан-Франциско: Аддисон-Уэсли .
2. Колб, Эдвард; Тернер, Майкл (1994). Ранняя Вселенная . Нью-Йорк: Вествью Пресс .
3. Хиншоу, Г.; Вейланд, Дж.Л.; Хилл, РС; Одегард, Н.; Ларсон, Д.; Беннетт, CL; Данкли, Дж.; Голд, Б.; Грисон, MR; Ярошик, Н. (1 февраля 2009 г.). «Пятилетние наблюдения микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP): обработка данных, карты неба и основные результаты». Серия дополнений к астрофизическому журналу . 180 (2): 225–245. arXiv : 0803.0732 . Бибкод : 2009ApJS..180..225H. дои : 10.1088/0067-0049/180/2/225. S2CID  3629998.
4. Лонгэйр, М.С. (2008). Формирование галактик (2-е изд.). Берлин: Шпрингер. ISBN 9783540734772.
5. Брингманн, Торстен; Хофманн, Стефан (23 апреля 2007 г.). «Тепловая развязка вимпов от основных принципов». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2007 (4): 016. arXiv : hep-ph/0612238 . Бибкод : 2007JCAP...04..016B. дои : 10.1088/1475-7516/2007/04/016. S2CID  18178435.
6. Ярошик, Н. (4 декабря 2010 г.). «Семилетние наблюдения микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP): карты неба, систематические ошибки и основные результаты. Таблица 8». Серия дополнений к астрофизическому журналу . 192 (2): 14. arXiv : 1001.4744 . Бибкод : 2011ApJS..192...14J. дои : 10.1088/0067-0049/192/2/14. S2CID  46171526.
7. Вайнхаймер, К. (2011). «Результаты темной материи на основе данных XENON100 за 100 дней». Письма о физических отзывах . 107 (13): 131302. arXiv : 1104.2549 . Бибкод : 2011PhRvL.107m1302A. doi : 10.1103/physrevlett.107.131302. PMID  22026838. S2CID  9685630.