¿Por qué CMB se desacopla cuando se forman átomos neutros?

No, la interacción de átomos y fotones no se detiene, pero se vuelve lo suficientemente pequeña como para despreciarla.

En un nivel básico, el camino libre medio de un fotón es$(n \sigma)^{-1}$, dónde$n$es la densidad numérica (por unidad de volumen) de las partículas que absorben/dispersan los fotones y$\sigma$es el área de la sección transversal de su interacción con los fotones.

Antes del desacoplamiento, la sección transversal es esencialmente la sección transversal de dispersión de Thomson de electrones libres:$\sigma = 6.6 \times 10^{-29}$metro$^2$y es independiente de la longitud de onda . La densidad numérica de los electrones es aproximadamente$1.6 (1+z)^3$metro$^{-3}$y la recombinación ocurre alrededor$z \simeq 1100$. Así, el camino libre medio para la luz (de cualquier longitud de onda) es de unos 700 años luz. Pero dado que el universo tiene alrededor de 400.000 años en este punto, esto significa que el universo es efectivamente opaco a la radiación que está dentro de él (es decir, un fotón solo podría viajar una pequeña fracción del tamaño del universo observable antes de interactuar).

Después de la recombinación el valor de$\sigma$caer precipitadamente, en muchos órdenes (al menos tres) de magnitud en casi todas las longitudes de onda (la excepción serían las principales transiciones discretas en un átomo de hidrógeno neutro). La densidad de los átomos de hidrógeno es aproximadamente la misma que la de los electrones antes de la recombinación, pero debido a que la sección transversal es mucho más pequeña, el universo se vuelve efectivamente transparente a los fotones (en la mayoría de las longitudes de onda), y se vuelve más transparente a medida que el universo se expande y se expande. la densidad se vuelve más pequeña.

Durante la recombinación, los electrones entran en estados de mayor energía del sistema y luego caen al estado fundamental. Luego hay una producción de fotones posterior y muchos de esos fotones fueron reabsorbidos por los átomos neutros recién formados.

Considere la posibilidad de que los fotones se dispersen de los electrones libres. Puede calcular la tasa de dispersión de Compton y compararla con la tasa de expansión del Universo. En algún momento, la tasa de dispersión de Compton sería mucho más baja a medida que los electrones se unieran, y los caminos libres medios de los fotones serían del tamaño del horizonte. En este punto, se puede pensar que están desacoplados ya que el camino libre medio es el tamaño del horizonte .