¿Qué ionización del Hidrógeno neutro tiene que ver con la "transparencia"?

Question

La mayoría de los relatos de la historia temprana del Universo, hacer alguna referencia a la (re)de ionización como la razón por la que el Universo se vuelve transparente después de un período de opacidad causada por la ausencia de hidrógeno ionizado. Estas cuentas sugieren que el neutro de H es opaco, wile ionizado H es transparente. Pero no sigo el razonamiento.

Entiendo que, mientras que el neutro de H es principalmente de absorción en un único relevante de la longitud de onda, esas longitudes de onda son "manchado" por la expansión, como visto por un observador, por lo que una densa y casi continua neutral H en una amplia gama de desplazamientos al rojo tendría como resultado de la absorción en un correspondiente amplia gama de longitudes de onda (es decir, la "opacidad" en esas longitudes de onda, como se ha visto por un observador "del otro lado" de la absorción de intervenir H). Pero no estoy claro sobre el por qué de la ionización de la misma H, por sí solo, podría resultar en la aclaración de esta opacidad.

Answer 1

Hay mucha confusión sobre este tema, y, de hecho, un montón de libros de texto tienen su terminología mezclado. La breve historia de la opacidad de que el universo es como sigue:

• En el principio, todo era un plasma. Los fotones, junto a la libre protones y electrones, los que no pueden viajar mucho antes de la dispersión.
• Como el universo se expande y se enfría, hidrógeno neutro formado, la disociación de la materia y la radiación. Esto se conoce como recombinación.¹ Mediante el corrimiento al rojo a la demarcación de tiempo, esto ocurrió en $z = 1091.64\pm0.47$.^2,3 Fotones ahora podría viajar muy lejos, de hecho.
• Finalmente, el asunto comenzó a derrumbarse en ligadas gravitacionalmente estructuras. La primera de las estrellas, el llamado de la Población III de las estrellas, que se formaron. Eran enormes y emite una gran cantidad de radiación ultravioleta capaz de ionización del hidrógeno neutro. Por lo tanto a un corrimiento al rojo de $z = 10.1\pm1.0$² el universo sufrió reionización. Esto, naturalmente, reduce el camino libre medio de los fotones.
• Sin embargo, en la época de la reionización, el factor de escala del universo era cien veces más grande que en el momento de la recombinación. El universo era bastante difuso que esta disminución en la trayectoria libre media no fue suficiente para hacer que sea opaco de nuevo.
• Seguimos viviendo en un universo con una gran parte ionizado medio interestelar. No obstante, es bastante difuso para no interferir con los fotones, y que es cada vez más delgados, con el paso del tiempo.

Poner en algunos de los números, el presente de la densidad de bariones (lea: la densidad de protones) del universo² es $n_0 = 0.2497\pm0.0037~\mathrm{m}^{-3}$. También podemos hacer algunos supuestos simplificadores:

• Los fotones no son la energía suficiente para preocuparse relativista correcciones, incluso cuando la dispersión de electons.
• Los fotones así la dispersión de los electrones con Thompson de la sección transversal de $\sigma = 6.652\times10^{-29}~\mathrm{m}^2$.
• Fotones y protones de dispersión es insignificante, siendo reducido por un factor de la relación de la masa al cuadrado.
• La recombinación y la reionización son instantáneos.
• Cuando ionizada, la ionización de la fracción $\chi$$100\%$.
• Cuando neutral, la ionización de la fracción es $10^{-5}$.
• Los fotones sólo se dispersan las partículas cargadas - todo lo demás es transparente.

Con estos supuestos, la densidad del número de electrones es $$ n(z) = \frac{n_0}{a(z)^3} \chi(z), $$ donde $a(z) = 1/(1+z)$ es el factor de escala del universo. El camino libre medio es entonces $$ \lambda(z) = \frac{1}{n(z)\sigma}. $$ Una rápida parcela de ambos $\lambda$ (violeta) y $\lambda/a$ (azul, y en cierto sentido más "justo" medición normalizado por el tamaño del universo) como funciones de $z$ se muestra a continuación.

El tiempo va de derecha a izquierda. Como se puede ver, el salto causada por la reionización es contrarrestado por el incremento que se produce entre la recombinación y la reionización. Una vez que las primeras estrellas reionized el universo, el camino libre medio era todavía un gigaparsec ($10$ comoving gigaparsecs), lo suficiente como para que el universo se consideran transparentes.

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¹ No debe confundirse con la materia-radiación de la igualdad, que se produjo a principios y denota la transición desde cuando la gravedad de los componentes dominantes del universo fueron relativista para el dominio de la no-relativista de la materia en la determinación de la evolución del universo.

² Valor de WMAP de nueve años de datos, la Tabla 17.

³ en Realidad, los fotones desacoplados de bariones ligeramente antes de bariones desacoplado de los fotones. Y, por supuesto, el proceso no fue instantáneo.

Answer 2

http://en.wikipedia.org/wiki/Recombination_(cosmología)

La primera fase del cambio de hidrógeno en el universo era de la recombinación, lo que ocurrió a un corrimiento al rojo de z = 1100 (400.000 años después del Big Bang), por el enfriamiento del universo, en el punto donde la tasa de de la combinación de un electrón y un protón para formar hidrógeno neutro se más alta que la tasa de ionización del hidrógeno. El universo era opaco antes de la recombinación debido a que los fotones se dispersan los electrones libres (y, en mucha menor medida, los protones libres), pero se convirtió en transparente a medida que más y más los electrones y los protones se combinan para formar los átomos de hidrógeno. Mientras que los electrones del hidrógeno neutro (o de otros átomos o moléculas) que puede absorber los fotones de algunas longitudes de onda de ir a una estado excitado, un universo lleno de hidrógeno neutro será relativamente opaco sólo en esas longitudes de onda, y transparente a través de la mayoría de los el espectro. La Edad Oscura comenzar en ese punto, porque no hay las fuentes de luz, sin embargo otros de la gradual oscurecimiento cósmica de fondo de la radiación.

El libre medio camino de los fotones siempre fue muy baja cuando las temperaturas eran tan altos que apenas podía viajar a cualquier lugar antes de que se dispersa fuera de electrones libres (electrones átomos ionizados). Una vez que las temperaturas se ha enfriado, sin embargo, la trayectoria libre media de la media de los fotones aumenta hasta el punto de que se podría esperar para viajar a través de todo el universo, sin llegar dispersos por una perdida de electrones libres (y tenemos http://en.wikipedia.org/wiki/Free_stream).

Hay una pregunta que tengo, sin embargo: ¿ no ionizada electrones ocupan menos "espacio" (en promedio) que los electrones ionizados? Los átomos de hidrógeno sólo tiene 1 electrón, después de todo, así que no vas a ver los electrones se agrupó alrededor de los átomos. Si esta pregunta tiene una respuesta de "sí", entonces la explicación anterior se puede entender fácilmente.

Answer 3

Plasma ionizado es muy opaca, porque hay tantos electrones no enlazados a los átomos y pueden tomar casi el nivel de energía (y por lo tanto capaz de absorber los fotones de casi cualquier energía). También es típicamente muy luminoso debido a que están a muy alta temperatura. El Fondo Cósmico de Microondas, representa la visualización de la super-calienta el plasma del Universo temprano, específicamente el límite (en el tiempo) entre esa época y la época en la que el Universo se enfrió lo suficiente como para causar la mayoría de los átomos ionizados que se combinan de nuevo a la posición neutral formas (que son más o menos transparentes). Sin embargo, hubo períodos de pequeña escala de re-ionización que añadir pequeñas perturbaciones de la CMB.