Разделение (космология)

Тип события в ранней Вселенной

В космологии расцепление — это период в развитии Вселенной , когда различные типы частиц выходят из теплового равновесия друг с другом. Это происходит в результате расширения Вселенной , когда скорости их взаимодействия уменьшаются (а длина свободного пробега увеличивается) вплоть до этой критической точки. Два проверенных случая расцепления со времен Большого взрыва , которые чаще всего обсуждаются, — это расцепление фотонов и расцепление нейтрино , поскольку они привели к космическому микроволновому фону и космическому фону нейтрино соответственно.

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

Развязка фотонов

Расцепление фотонов произошло в эпоху, известную как рекомбинация. В это время электроны объединились с протонами, образовав атомы водорода , что привело к внезапному падению плотности свободных электронов. Расцепление произошло 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 электрона , — 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 фактор . также уменьшается как более сложная функция с большей скоростью, чем . ^[2] Выявив 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. ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \Gamma =H}$ ${\displaystyle z=1100}$

Разделение нейтрино

Другим примером является расцепление нейтрино, которое произошло в течение одной секунды после Большого взрыва. ^[4] Аналогично расцеплению фотонов, нейтрино расцепились, когда скорость слабых взаимодействий между нейтрино и другими формами материи упала ниже скорости расширения Вселенной, что создало космический нейтринный фон свободно текущих нейтрино. Важным следствием расцепления нейтрино является то, что температура этого нейтринного фона ниже температуры космического микроволнового фона.

WIMP: нерелятивистское разделение

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

Смотрите также

• Рекомбинация
• Хронология вселенной
• Связь Ваутхёйзена–Поля

Ссылки

1. Райден, Барбара Сью (2003). Введение в космологию . Сан-Франциско: Addison-Wesley .
2. Колб, Эдвард; Тернер, Майкл (1994). Ранняя Вселенная . Нью-Йорк: Westview Press .
3. Hinshaw, G.; Weiland, JL; Hill, RS; Odegard, N.; Larson, D.; Bennett, CL; Dunkley, J.; Gold, B.; Greason, MR; Jarosik, N. (1 февраля 2009 г.). «Пятилетние наблюдения зонда анизотропии микроволнового излучения Уилкинсона (WMAP): обработка данных, карты неба и основные результаты». Серия приложений к астрофизическому журналу . 180 (2): 225–245. arXiv : 0803.0732 . Bibcode : 2009ApJS..180..225H. doi : 10.1088/0067-0049/180/2/225. S2CID  3629998.
4. Longair, MS (2008). Формирование галактик (2-е изд.). Берлин: Springer. ISBN 9783540734772.
5. Bringmann, Torsten; Hofmann, Stefan (23 апреля 2007 г.). "Thermal decoupling of WIMPs from first principles". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 2007 (4): 016. arXiv : hep-ph/0612238 . Bibcode : 2007JCAP...04..016B. doi : 10.1088/1475-7516/2007/04/016. S2CID  18178435.
6. Jarosik, N. (4 декабря 2010 г.). "Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results. Table 8". Серия приложений к Astrophysical Journal . 192 (2): 14. arXiv : 1001.4744 . Bibcode : 2011ApJS..192...14J. doi : 10.1088/0067-0049/192/2/14. S2CID  46171526.
7. Weinheimer, C. (2011). "Результаты исследования темной материи на основе данных за 100 дней наблюдений XENON100". Physical Review Letters . 107 (13): 131302. arXiv : 1104.2549 . Bibcode : 2011PhRvL.107m1302A. doi : 10.1103/physrevlett.107.131302. PMID  22026838. S2CID  9685630.