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

Hay mucha confusión sobre este tema y, de hecho, muchos libros de texto tienen una terminología confusa. La breve historia de la opacidad del universo es la siguiente:

• Al principio, todo era un plasma. Los fotones se acoplaron a los protones y electrones libres, incapaces de viajar mucho antes de dispersarse.
• A medida que el universo se expandió y se enfrió, se formó hidrógeno neutro, desacoplando la materia y la radiación. Esto se conoce como recombinación . ¹ Usando corrimiento al rojo para demarcar el tiempo, esto ocurrió en$z = 1091.64\pm0.47$. ^2,3 Los fotones ahora podrían viajar muy lejos.
• Eventualmente, la materia comenzó a colapsar en estructuras ligadas gravitacionalmente. Se formaron las primeras estrellas, las llamadas estrellas de Población III . Eran masivos y emitían una gran cantidad de radiación ultravioleta capaz de ionizar hidrógeno neutro. Por lo tanto, en un corrimiento al rojo de$z = 10.1\pm1.0$² el universo experimentó una reionización . Esto, naturalmente, redujo el camino libre medio de los fotones.
• Sin embargo , en el momento de la reionización, el factor de escala del universo era cien veces mayor que en el momento de la recombinación. El universo era lo suficientemente difuso como para que esta disminución en el camino libre medio no fuera suficiente para volverlo opaco .
• Seguimos viviendo en un universo con un medio interestelar en gran parte ionizado. No obstante, es lo suficientemente difuso como para no interferir con los fotones, y se vuelve más delgado con el paso del tiempo.

Poniendo algunos números, la densidad bariónica actual (léase: densidad de protones) del universo ² es$n_0 = 0.2497\pm0.0037~\mathrm{m}^{-3}$. También podemos hacer algunas suposiciones simplificadoras:

• Los fotones no son lo suficientemente energéticos como para preocuparse por las correcciones relativistas, incluso cuando se dispersan los electrones.
• Por lo tanto, los fotones se dispersan de los electrones con la sección transversal de Thompson $\sigma = 6.652\times10^{-29}~\mathrm{m}^2$.
• La dispersión fotón-protón es insignificante y se reduce por un factor de la relación de masa al cuadrado.
• La recombinación y la reionización son instantáneas.
• Cuando se ioniza, la fracción de ionización$\chi$es$100\%$.
• Cuando es neutral, la fracción de ionización es$10^{-5}$.
• Los fotones solo se dispersan de partículas cargadas; todo lo demás es transparente.

Con estas suposiciones, la densidad numérica de los electrones es

El tiempo va de derecha a izquierda. Como puede ver, el salto causado por la reionización se contrarresta con el aumento que se produce entre la recombinación y la reionización. Una vez que las primeras estrellas reionizaron el universo, el camino libre medio seguía siendo un gigaparsec ($10$gigaparsecs comóviles), suficiente para que el universo se considere transparente.

¹ No debe confundirse con la igualdad entre materia y radiación, que ocurrió antes y denota la transición de cuando los componentes gravitacionalmente dominantes del universo eran relativistas al dominio de la materia no relativista en la determinación de la evolución del universo.

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

³ En realidad, los fotones se desacoplaron de los bariones un poco antes que los bariones se desacoplan de los fotones. Y por supuesto el proceso no fue instantáneo.

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

El primer cambio de fase del hidrógeno en el universo fue la recombinación, que ocurrió en un corrimiento al rojo z = 1100 (400 000 años después del Big Bang), debido al enfriamiento del universo hasta el punto en que la velocidad de combinación de un electrón y un protón para formar hidrógeno neutro era mayor que la tasa de ionización del hidrógeno . El universo era opaco antes de la recombinación porque los fotones se dispersan de los electrones libres (y, en un grado significativamente menor, de los protones libres),pero se volvió transparente a medida que más y más electrones y protones se combinaban para formar átomos de hidrógeno. Mientras que los electrones en el hidrógeno neutro (u otros átomos o moléculas) pueden absorber fotones de algunas longitudes de onda al pasar a un estado excitado, un universo lleno de hidrógeno neutro será relativamente opaco solo en esas longitudes de onda y transparente en la mayor parte del espectro. La Edad Oscura comienza en ese punto , porque todavía no hay fuentes de luz aparte de la radiación cósmica de fondo que se oscurece gradualmente.

El camino libre medio de los fotones siempre fue muy bajo cuando las temperaturas eran tan altas que apenas podían viajar a ningún lado antes de que se dispersaran los electrones libres (los electrones de los átomos ionizados). Sin embargo, una vez que las temperaturas se enfriaron, el camino libre medio del fotón promedio aumentó hasta el punto en que podría esperar viajar por todo el universo sin ser dispersado por un electrón libre extraviado (y obtuvimos http://en.wikipedia. org/wiki/Free_stream ).

Sin embargo, tengo una pregunta: ¿los electrones no ionizados ocupan menos "espacio" (en promedio) que los electrones ionizados? Después de todo, los átomos de hidrógeno solo tienen 1 electrón, por lo que no verá electrones agrupados alrededor de los átomos. Si esta pregunta tiene una respuesta de "sí", entonces la explicación anterior se puede entender fácilmente.

Antes del momento en que el universo se volvió neutro (recombinado) por primera vez en z aproximadamente 1100, la densidad de iones era muy alta, por lo que el camino libre medio de los fotones de luz era lo suficientemente pequeño como para considerar que el universo era opaco. Esta opacidad es lo que vemos cuando miramos el Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Después de la recombinación, el universo era transparente a la luz visible, pero "rápidamente" (un millón de años más o menos) se oscureció a medida que la radiación CMB se desplazaba hacia el infrarrojo. Permaneció oscuro (en luz visible) hasta que se formaron las primeras estrellas. Estas estrellas también reionizaron el universo, un proceso que se completó con desplazamientos al rojo de 10 a 20, unos cientos de millones de años después del Big Bang. Pero esta vez, el universo se mantuvo esencialmente transparente porque con el factor de escala aumentando en un factor de aproximadamente 100,

Entonces, el universo, con la excepción de las densas nubes de polvo, ha sido transparente a la luz visible desde la recombinación en la época del CMB. Pero hay un problema importante cuando tratamos de mirar hacia atrás a esa época en luz visible o en el infrarrojo cercano (como con el Hubble). Es decir, el hidrógeno neutro que dominó desde z = 1100 hasta z = 10-20 es fuertemente opaco a la luz ultravioleta lejana. Primero, hay una serie de líneas de absorción, llamadas "Serie Lyman" (ver wikipedia), que comienzan en longitudes de onda de 121,6 nm (nanómetros) donde el único electrón en un átomo de hidrógeno es expulsado del estado fundamental a varios estados excitados, seguido por el El continuo de Lyman, que comienza en 91,2 nm, por lo que el electrón se expulsa por completo, ionizando temporalmente el átomo. Entonces, un universo de hidrógeno neutro es opaco a longitudes de onda inferiores a 91,2 nm. Pero mire hacia atrás a los desplazamientos al rojo de 9, y ese límite se convierte en 912 nm, bien en el infrarrojo. Así que el Hubble se bloquea con desplazamientos al rojo mucho mayores que este. De hecho, la serie Lyman de líneas de absorción que comienza en 121,6 nm ha sido durante mucho tiempo, utilizando telescopios terrestres, de restos de nubes de hidrógeno neutral a lo largo de las líneas de visión de cuásares muy distantes, y se ha denominado "bosque de Lyman" en estos espectros.

Así que hay un segundo significado para 'edades oscuras' cuando consideramos nuestros intentos actuales de mirar hacia atrás en la era neutral. El telescopio espacial James Webb está diseñado con detectores de infrarrojo lejano para investigar las 'edades oscuras' y ver lo que emitieron las primeras estrellas como luz visible.

El plasma ionizado es muy opaco, porque hay muchos electrones que no están unidos a los átomos y pueden adquirir casi un nivel de energía (y por lo tanto pueden absorber fotones de casi cualquier energía). También es típicamente muy luminoso debido a que está a una temperatura muy alta. El Fondo Cósmico de Microondas representa ver el plasma sobrecalentado del Universo primitivo, específicamente el límite (en el tiempo) entre esa era y la era en la que el Universo se enfrió lo suficiente como para hacer que la mayoría de los átomos ionizados se combinaran de nuevo en formas neutras (que son más o menos menos transparente). Sin embargo, hubo períodos de reionización a pequeña escala que agregaron pequeñas perturbaciones al CMB.