Naturaleza del desacoplamiento de la materia y la radiación

Question

Tengo una pregunta sobre cosmología. A nivel popular la gente explica el momento de desacoplamiento de la materia y la radiación como el momento en que la temperatura baja lo suficiente para que los núcleos y los electrones se recombinen en átomos. La gente dice que el Universo se volvió "transparente". La sección transversal del fotón por un sistema electroneutral es menor que la de Thomson, es decir, técnicamente significa que el camino libre medio se hizo muy grande o incluso infinito.

Sin embargo, existe otro mecanismo para que el camino libre medio se vuelva infinito. Es porque durante su expansión el universo se vuelve menos denso. Lo explicaré con un ejemplo. Imagina que estás en un bosque donde el diámetro del árbol es $a$ y la distancia media entre árboles es $b$ . ¿Cuál es el diámetro medio de la zona observada? Es proporcional a $b^{2}/a$ Supongo que sí. Ahora imaginemos que nuestro bosque está en el universo en expansión, es decir, $b$ crece (linealmente, por ejemplo) con el tiempo mientras que $a$ se mantiene constante. Entonces, en algún momento, "el diámetro del área observada" comienza a crecer más rápido que la velocidad de la luz, es decir, se vuelve infinito.

Esto implica que la recombinación no es necesaria para el desacoplamiento. ¿La recombinación comenzó antes del momento que he descrito anteriormente? ¿O ambos mecanismos (recombinación y caída de la densidad) son igualmente importantes para el desacoplamiento?

Answer 1

Tienes razón en que no es necesaria la recombinación para desacoplar y que la expansión de Hubble es una parte importante del desacoplamiento. El desacoplamiento se produce básicamente cuando la tasa de interacción desciende hasta la expansión de Hubble:

$$\Gamma = H.$$

En cuanto a la sección transversal:

$$\Gamma = n_X \langle\sigma\,v\rangle,$$

donde $n_X$ es la densidad numérica, $\sigma$ es la sección transversal de la interacción, y $v$ es la velocidad de la partícula. Por tanto, si hay expansión, la sección transversal no tiene por qué desaparecer para el desacoplamiento. Además, incluso si la densidad del número de electrones libres no cayera precipitadamente debido a la recombinación, los fotones se desacoplarían eventualmente. Véase Modern Cosmology de Dodelson, p. 73, por ejemplo (disponible en Google Books).

Dodelson afirma que la fracción de electrones libres desciende a cerca del 2% para conseguir el desacoplamiento, por lo que, en cierto sentido, la recombinación tuvo que proceder parcialmente (aunque no hasta el final) para conseguir el desacoplamiento.

Answer 2

En la física del plasma existe la noción de transparencia del plasma, más o menos. Cuando se calienta el plasma en TOKAMAK, primero es transparente a la radiación y las pérdidas de calor son esenciales. El plasma irradia "desde el volumen". Con el aumento de la temperatura el plasma se vuelve no transparente y sólo irradia "desde la superficie".

Answer 3

Lo único que se me ocurre para el "diámetro de la zona observada" es la distancia interatómica dentro del IGM, y para que no se produzca la recombinación, supondría que el IGM en este modelo seguiría estando lo suficientemente caliente como para ser un plasma. Una respuesta ingenua sería que esto es poco probable, teniendo en cuenta que todavía no estamos a infinitos corrimientos al rojo con respecto a las galaxias vecinas, y mucho menos a la IGM entre nosotros y las galaxias vecinas.

Answer 4

No soy cosmólogo, pero me parece que tu argumento de la escala está un poco fuera de lugar en el sentido de que a) escalas la distancia finita entre los árboles, pero quieres mantener constantes los radios finitos de tus árboles y b) las trayectorias libres medias suelen ser inversamente proporcionales a las secciones transversales, que también escalan con a^2. Si escalamos a y b con el mismo factor, obtendremos un recorrido libre medio constante.