Если разделение фотонов было отклонением от равновесия, почему реликтовое излучение демонстрирует спектр черного тела?

Отделение фотонов от космической плазмы или термальной ванны считается точкой отклонения от теплового равновесия . Но мы знаем, что космический микроволновый фон (CMB), состоящий из несвязанных фотонов, соответствует кривой распределения черного тела с поразительной точностью. 1 % . Но тепловое излучение может иметь спектр черного тела только в том случае, если излучение находится в равновесии с полостью.

Итак, если фотоны не находятся в равновесии, почему у нас есть распределение абсолютно черного тела для реликтового излучения?

Я вижу это так, как если бы вселенная была ББ при расцеплении или незадолго до этого. Я наивен, так как не являюсь специалистом. Но не слишком ли я наивен?

Ответы (1)

Я не совсем уверен, что вы имеете в виду под «равновесием с полостью», но излучение и материя находились в тепловом равновесии до разделения 379 000 лет после Большого взрыва, т.е. фотоны и частицы имели одинаковое распределение энергии. Эта энергия давалась температурой, так что спектр фотонов был планковским спектром, характерным для абсолютно черного тела.

«Рекомбинация» протонов и электронов, вместе с расширением Вселенной, за достаточно короткий промежуток времени истощила пространство ее основного рассеивающего агента — электронов. В нескольких 10 4 лет скорость рассеяния фотонов из значительно меньшей , чем скорость расширения Вселенной, стала значительно большей . Это равносильно утверждению, что длина свободного пробега фотонов уменьшилась от размера наблюдаемой Вселенной до длины.

После этого (большинство) фотонов ни с чем не взаимодействовали, так что они все еще те же самые фотоны, которые были выпущены в то время, только они сместились в красную сторону на своем пути через расширяющуюся Вселенную. Это означает, что они по-прежнему демонстрируют тот же планковский спектр, что и тогда, только с красным смещением.

Вы можете подумать, что, поскольку фотоны не разделялись точно одновременно, спектр не должен быть точным планковским спектром, а быть немного «размазанным». Но фотоны всегда подвергались красному смещению, как до, так и во время разделения. Когда Вселенной было, скажем, 370 000 лет, она была горячей 2987 К (используя космологию Планка 2016 г.), поэтому ее спектр достиг максимума при

λ п е а к , 370 к у р "=" б 2 987 К "=" 970 н м ,
где б постоянная смещения Вина . С другой стороны, фотоны, отделившиеся поздно, скажем, когда Вселенной было 390 000 лет и температура упала до 2895 К, достигли пика при
λ п е а к , 390 к у р "=" б 2 895 К "=" 1 001 н м .
Но за 20 000 лет, которые прошли от фотона А, отделившегося от λ "=" 970 н м пока фотон B не отделится от λ "=" 1001 н м , фотон А сместился в красную сторону λ "=" 1001 н м , поэтому он неотличим от фотона B.

Вот почему реликтовое излучение описывается идеальной кривой абсолютно черного тела.

Я не совсем уверен, что вы подразумеваете под «равновесием с полостью » ... Обсуждение спектра BB предполагает, что внутри металлической полости существует некоторое тепловое излучение, поддерживаемое при фиксированной температуре T. Это взаимодействие с атомами стенки резонатора, что приводит к уравновешиванию теплового излучения при температуре T и достижению спектра ВВ. @пела
@SRS Есть несколько способов получить функциональную форму спектра Планка. Я думаю, что «волна в коробке» — это эвристический, классический способ вывода. Но и фотоны, и другие частицы имеют распределение по энергии, даже не будучи заключенными в ящик. Для облака частиц быстро движущиеся частицы могут улететь, поэтому оставшийся ансамбль имеет непланковское распределение. Но если облако бесконечно велико — как в случае со Вселенной — бежать некуда, поэтому распределение не меняется.
Но где отклонение от равновесия? @пела
@SRS Если я вас правильно понимаю, отклонение от равновесия, о котором вы говорите, заключается в том, что после разделения излучение больше не взаимодействует с материей, поэтому излучение и материя больше не обязаны находиться в равновесии.
Поскольку фотоны не взаимодействуют друг с другом, если по волшебству удалить все фотоны ниже определенного энергетического порога, они будут постоянно отсутствовать в спектре. Напротив, если вы сделаете это до разделения, они появятся снова, потому что они были в равновесии с материей, поэтому они продолжали обмениваться энергией.
Если разделение фотонов было отклонением от равновесия, почему реликтовое излучение демонстрирует спектр черного тела?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v