Развязка (космология)

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 ) , когда Вселенная представляла собой горячую непрозрачную («туманную») плазму . Во время рекомбинации свободные электроны связываются с протонами (ядрами водорода), образуя нейтральные водорода атомы . 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 образовавшийся 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 внезапному падению плотности свободных электронов. Развязка произошла внезапно, когда скорость комптоновского рассеяния фотонов $\Gamma$ был примерно равен скорости расширения Вселенной $H$ или, альтернативно, когда средняя длина свободного пробега фотонов $\lambda$ был примерно равен размеру горизонта Вселенной $H^{-1}$ . После этого фотоны смогли свободно течь , создавая космический микроволновый фон, каким мы его знаем, и Вселенная стала прозрачной. ^[1]

Скорость взаимодействия фотонов определяется выражением

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

где $n_{e}$ электронов плотность , $\sigma _{e}$ электрона - площадь поперечного сечения , а $c$ это скорость света .

В эпоху доминирования материи (когда происходит рекомбинация)

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

где $a$ — это космический масштабный фактор . $\Gamma$ также убывает как более сложная функция $a$ , быстрее, чем $H$ . ^[2] Выявив точную зависимость $H$ и $\Gamma$ по масштабному коэффициенту и приравнивая $\Gamma =H$ , можно показать, что разделение фотонов произошло примерно через 380 000 лет после Большого взрыва , при красном смещении $z=1100$ ^[3] когда Вселенная имела температуру около 3000 К.

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 реликвии», то есть они отделились после того, как стали нерелятивистскими (для сравнения, фотоны и нейтрино отделились, еще будучи релятивистскими, и известны как «горячие реликвии»). Рассчитав гипотетическое время и температуру развязки для нерелятивистских вимпов определенной массы, можно найти их плотность . ^[5] Сравнивая это с измеренным параметром плотности холодной темной материи, равным 0,222. сегодня $\pm$ 0.0026 ^[6] можно исключить вимпов определенных масс как разумных кандидатов в темную материю. ^[7]

См. также

Ссылки

^ Райден, Барбара Сью (2003). Введение в космологию . Сан-Франциско: Аддисон-Уэсли .
^ Колб, Эдвард; Тернер, Майкл (1994). Ранняя Вселенная . Нью-Йорк: Вествью Пресс .
^ Хиншоу, Г.; Вейланд, Дж.Л.; Хилл, РС; Одегард, Н.; Ларсон, Д.; Беннетт, CL; Данкли, Дж.; Голд, Б.; Гризон, 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 .
^ Лонгэйр, Миссисипи (2008). Формирование галактик (2-е изд.). Берлин: Шпрингер. ISBN 9783540734772 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 . дои : 10.1103/physrevlett.107.131302 . ПМИД 22026838 . S2CID 9685630 .

[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.; Гризон, 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, Миссисипи (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 . дои : 10.1103/physrevlett.107.131302 . ПМИД 22026838 . S2CID 9685630 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]