В космологии рекомбинацией называют эпоху , в течение которой заряженные электроны и протоны впервые стали связываться с образованием электрически нейтральных атомов водорода . Рекомбинация произошла примерно через 378 000 лет [1] [примечания 1] после Большого взрыва (при красном смещении z = 1100 ). [2] Слово «рекомбинация» вводит в заблуждение, поскольку теория Большого взрыва не утверждает, что протоны и электроны были объединены раньше, но это название существует по историческим причинам, поскольку оно было названо до того, как гипотеза Большого взрыва стала основной теорией рождение Вселенной.
Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую, плотную плазму фотонов , лептонов и кварков : эпоху кварков . За 10–6 секунд Вселенная расширилась и достаточно остыла, чтобы обеспечить образование протонов : адронная эпоха . Эта плазма была фактически непрозрачна для электромагнитного излучения из-за томсоновского рассеяния на свободных электронах, поскольку длина свободного пробега каждого фотона до встречи с электроном была очень короткой. Таково нынешнее состояние недр Солнца. По мере расширения Вселенной она также охлаждалась. В конце концов Вселенная остыла до такой степени, что образование нейтрального водорода стало энергетически выгодным, а доля свободных электронов и протонов по сравнению с нейтральным водородом уменьшилась до нескольких частей на 10 000.
Рекомбинация включает связывание электронов с протонами (ядрами водорода) с образованием нейтральных атомов водорода . Поскольку прямая рекомбинация в основное состояние (самая низкая энергия) водорода очень неэффективна, [ необходимы разъяснения ] эти атомы водорода обычно образуются с электронами в состоянии с высокой энергией, и электроны быстро переходят в состояние с низкой энергией, испуская фотоны . Существуют два основных пути: из состояния 2p путем испускания фотона Лаймана-a (эти фотоны почти всегда будут повторно поглощаться другим атомом водорода в его основном состоянии) или из состояния 2s путем испускания двух фотонов, что происходит очень медленно. [ нужны разъяснения ]
Это образование фотонов известно как развязка , что приводит к рекомбинации, которую иногда называют развязкой фотонов , но рекомбинация и развязка фотонов — разные события. Как только фотоны отделились от материи, они свободно путешествовали по Вселенной, не взаимодействуя с материей, и представляют собой то, что сегодня наблюдается как космическое микроволновое фоновое излучение (в этом смысле космическое фоновое излучение является инфракрасным , а некоторое красное излучение чёрного тела испускалось, когда Вселенная существовала). при температуре около 3000 К, смещенной в красную сторону в несколько раз.1100 от видимого спектра до микроволнового спектра).
История космической ионизации обычно описывается в терминах доли свободных электронов x e как функции красного смещения . Это отношение содержания свободных электронов к общему содержанию водорода (как нейтрального, так и ионизированного). Обозначая n e плотность свободных электронов, n H плотность атомарного водорода и n p плотность ионизированного водорода (т. е. протонов), x e определяется как
Поскольку водород рекомбинирует только тогда, когда гелий становится полностью нейтральным, нейтральность заряда подразумевает n e = n p , т.е. x e также является долей ионизированного водорода.
Можно получить приблизительную оценку красного смещения эпохи рекомбинации, предполагая, что реакция рекомбинации достаточно быстрая и протекает вблизи теплового равновесия. Относительное содержание свободных электронов, протонов и нейтрального водорода тогда определяется уравнением Саха :
где m e — масса электрона , k B — постоянная Больцмана , T — температура, ħ — приведенная постоянная Планка , а E I = 13,6 эВ — энергия ионизации водорода. [3] Зарядовая нейтральность требует n e = n p , и уравнение Саха можно переписать в терминах доли свободных электронов x e :
Все величины в правой части являются известными функциями z, красного смещения : температура определяется как T = 2,728 (1 + z) K , [4] и общая плотность водорода (нейтрального и ионизированного) определяется как n п + п ЧАС знак равно 1,6 (1+z) 3 м -3 .
Решение этого уравнения для 50-процентной доли ионизации дает температуру рекомбинации примерно4000 К , что соответствует красному смещению z = 1500 .
В 1968 г. физики Джим Пиблс [5] в США и Яков Борисович Зельдович с сотрудниками [6] в СССР независимо рассчитали историю неравновесной рекомбинации водорода. Основные элементы модели следующие.
Эту модель обычно описывают как «эффективный трехуровневый атом», поскольку она требует отслеживания водорода в трех формах: в основном состоянии, в первом возбужденном состоянии (при условии, что все высшие возбужденные состояния находятся с ним в равновесии Больцмана ), и в ионизированном состоянии.
С учетом этих процессов история рекомбинации тогда описывается дифференциальным уравнением
где α B — коэффициент рекомбинации «случай B» в возбужденные состояния водорода, β B — соответствующая скорость фотоионизации и E 21 = 10,2 эВ — энергия первого возбужденного состояния. Обратите внимание, что второй член в правой части приведенного выше уравнения может быть получен с помощью подробного рассуждения о балансе . Результат равновесия, приведенный в предыдущем разделе, можно было бы восстановить, установив левую часть равной нулю, т. е. предположив, что чистые скорости рекомбинации и фотоионизации велики по сравнению со скоростью хаббловского расширения , которая устанавливает общую временную шкалу эволюции температуры. и плотность. Однако C α B n p сравнима со скоростью расширения Хаббла и даже становится значительно ниже при низких красных смещениях, что приводит к эволюции фракции свободных электронов намного медленнее, чем можно было бы получить из расчета равновесия Саха. При современных значениях космологических параметров можно обнаружить, что Вселенная на 90% нейтральна при z ≈ 1070.
Описанная выше простая эффективная трехуровневая модель атома объясняет наиболее важные физические процессы. Однако он полагается на приближения, которые приводят к ошибкам в предсказанной истории рекомбинации на уровне 10% или около того. Из-за важности рекомбинации для точного предсказания анизотропии космического микроволнового фона [8] несколько исследовательских групп за последние два десятилетия пересмотрели детали этой картины.
Уточнения теории можно разделить на две категории:
Считается, что современная теория рекомбинации имеет точность на уровне 0,1% и реализована в общедоступных кодах быстрой рекомбинации. [9] [10]
Ядра гелия образуются в ходе нуклеосинтеза Большого взрыва и составляют около 24% от общей массы барионной материи . Энергия ионизации гелия больше, чем у водорода, поэтому он рекомбинирует раньше. Поскольку нейтральный гелий несет два электрона, его рекомбинация протекает в два этапа. Первая рекомбинация протекает вблизи равновесия Саха и происходит в районе красного смещения z ≈ 6000. [11] Вторая рекомбинация медленнее, чем можно было бы предсказать на основании равновесия Саха, и происходит в районе красного смещения z ≈ 2000. [12] Детали Рекомбинация гелия менее важна, чем рекомбинация водорода, для предсказания анизотропии космического микроволнового фона , поскольку Вселенная все еще остается очень оптически толстой после рекомбинации гелия и до того, как водород начал свою рекомбинацию.
До рекомбинации фотоны не могли свободно путешествовать по Вселенной, так как постоянно разлетались на свободных электронах и протонах. Это рассеяние приводит к потере информации, и «поэтому существует фотонный барьер при красном смещении» рядом с рекомбинационным, который не позволяет нам напрямую использовать фотоны для изучения Вселенной при больших красных смещениях. [13] Однако после того, как произошла рекомбинация, длина свободного пробега фотонов значительно увеличилась из-за меньшего количества свободных электронов. Вскоре после рекомбинации длина свободного пробега фотонов стала больше длины Хаббла , и фотоны перемещались свободно, не взаимодействуя с веществом. [14] По этой причине рекомбинация тесно связана с последней поверхностью рассеяния, которая является названием последнего времени, когда фотоны космического микроволнового фона взаимодействовали с веществом. [15] Однако эти два события различны, и во Вселенной с разными значениями отношения барионов к фотонам и плотности материи рекомбинация и развязка фотонов не обязательно должны происходить в одну и ту же эпоху. [14]
{{cite web}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)