Из того, что я понимаю о космическом микроволновом фоновом излучении, так это то, что оно возникло в результате большого взрыва, и поскольку с тех пор пространство растянулось и стало больше, длина волны реликтового излучения со временем увеличилась, а это означает, что когда Вселенная перестала быть непрозрачной, она перестала быть непрозрачной. не микроволны, а гамма-лучи, это должно означать, что они перешли от гамма-лучей к рентгеновским, к ультрафиолетовым, к видимому свету (синему, затем к красному), затем к инфракрасному, а теперь к микроволновому.
Реликтовое излучение было испущено с энергией , что является энергией связи водорода. Это соответствует длине волны
Таким образом, возникает простой вопрос: если реликтовое излучение было испущено при энергии ионизации водорода, почему это спектр абсолютно черного тела, а не линейчатый спектр?
В эпоху (ре)комбинации полем излучения Вселенной было черное тело с температурой примерно 3000 К.
Я не уверен, откуда вы взяли, что температура напрямую определяется энергией связи атома водорода - это не так. Черное тело при температуре 3000 К имеет среднюю энергию фотонов 0,7 эВ, но может быть горячее, и имеется достаточно фотонов с энергиями выше 13,6 эВ, чтобы ионизировать любые атомы водорода.
До рекомбинации Вселенная состояла из свободных электронов, протонов, атомов гелия и очень небольшого числа атомов водорода и альфа-частиц, находящихся в термодинамическом равновесии.
Поскольку плазма находится в термодинамическом равновесии, все процессы излучения уравновешиваются процессами поглощения, а функция источника задается планковской функцией черного тела. Кроме того, поскольку длина свободного пробега фотона намного меньше, чем скорость света, умноженная на возраст Вселенной, в основном из-за непрозрачности, обеспечиваемой свободными электронами, Вселенная фактически является оптически толстой . В таких обстоятельствах уравнение переноса излучения говорит нам, что поле излучения приближается к функции источника, которая в данном случае является функцией черного тела Планка.
Рекомбинация происходит при температуре 3000 К, потому что при этой температуре и ниже недостаточно фотонов с достаточно высокой энергией для ионизации большого количества водорода. Вы можете рассчитать долю ионизации, используя уравнение Саха , которое показывает, что доля ионизации резко уменьшается при K ( подробнее см. здесь ). По мере рекомбинации атомов водорода непрозрачность падает на порядки из-за исчезновения свободных электронов, и существующее в это время поле излучения может свободно распространяться по Вселенной.
Ваш реальный вопрос может заключаться в том, почему газ, состоящий из электронов, протонов и атомов, может создавать непрерывный спектр? Ответ на этот вопрос заключается в том, что непрозрачность на всех длинах волн достаточна для того, чтобы Вселенная была оптически толстой на этих длинах волн, и что процессы поглощения и излучения должны находиться в точном балансе. Соответствующими процессами, которые поглощают фотоны в диапазоне длин волн, являются рассеяние электронов, обратное тормозное излучение и фотоэлектрическое поглощение, а также процессы обратного непрерывного излучения обратного комптоновского рассеяния, тормозного излучения и рекомбинационного излучения.
Это был бы линейчатый спектр, если бы он состоял исключительно из фотонов, испускаемых при переходе электронов из свободного состояния в основное состояние атома водорода во время рекомбинации. Но большая часть излучения была просто рассеянием фотонов заряженных электронов и протонов в «плазме». Из-за этого рассеяния любой свет не мог уйти, и поэтому плазма была непрозрачна для света всех длин волн (что эффективноопределение черного тела) Поскольку фотоны и плазма находились в равновесии (это причина, по которой реликтовое излучение однородно по всему небу, потому что оно достигло термодинамического равновесия) и имели одинаковую среднюю энергию, они имели определенную температуру. По этой причине плазма вела себя как черное тело, находящееся в равновесии при фиксированной температуре. Как только произошла рекомбинация, плазма стала почти прозрачной и пропустила излучение черного тела, которое мы получаем сегодня.
РЕДАКТИРОВАТЬ: Как указал Роб Джеффрис, температура фотонов, которую я первоначально упомянул, была неправильной. Правильная температура фотонов определяется уравнением Саха, как он написал в своем ответе.
грабить
пела