Desacoplamiento (cosmología)

Tipo de evento en el universo temprano

En cosmología , el desacoplamiento es un período en el desarrollo del universo en el que diferentes tipos de partículas pierden el equilibrio térmico entre sí. Esto ocurre como resultado de la expansión del universo , ya que sus tasas de interacción disminuyen (y los caminos libres medios aumentan) hasta este punto crítico. Los dos casos verificados de desacoplamiento desde el Big Bang que se discuten con más frecuencia son el desacoplamiento de fotones y el desacoplamiento de neutrinos , ya que dieron lugar al fondo cósmico de microondas y al fondo cósmico de neutrinos , respectivamente.

El desacoplamiento de fotones está estrechamente relacionado con la recombinación , que ocurrió unos 378.000 años después del Big Bang (con un corrimiento al rojo de z  = 1100 ), cuando el universo era un plasma opaco caliente ("neblinoso") . Durante la recombinación, los electrones libres se unieron a los protones (núcleos de hidrógeno) para formar átomos de hidrógeno neutros . Debido a que las recombinaciones directas al estado fundamental (la energía más baja) del hidrógeno son muy ineficientes, estos átomos de hidrógeno generalmente se forman con los electrones en un estado de alta energía, y los electrones pasan rápidamente a su estado de baja energía emitiendo fotones . Debido a que el hidrógeno neutro que se formó era transparente a la luz, aquellos fotones que no fueron capturados por otros átomos de hidrógeno pudieron, por primera vez en la historia del universo , viajar largas distancias. Todavía se pueden detectar hoy en día, aunque ahora aparecen como ondas de radio y forman el fondo cósmico de microondas ("CMB"). Revelan pistas cruciales sobre cómo se formó el universo.

Desacoplamiento de fotones

El desacoplamiento de fotones ocurrió durante la época conocida como la recombinación. Durante este tiempo, los electrones se combinaron con protones para formar átomos de hidrógeno , lo que resultó en una caída repentina en la densidad de electrones libres. El desacoplamiento ocurrió abruptamente cuando la tasa de dispersión Compton de los fotones fue aproximadamente igual a la tasa de expansión del universo , o alternativamente cuando el camino libre medio de los fotones fue aproximadamente igual al tamaño del horizonte del universo . Después de esto, los fotones pudieron fluir libremente , produciendo el fondo cósmico de microondas tal como lo conocemos, y el universo se volvió transparente. ^[1] ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle H^{-1}}$

La tasa de interacción de los fotones viene dada por

${\displaystyle \Gamma ={\frac {c}{\lambda }}=n_{e}\sigma _{e}c}$

donde es la densidad numérica de electrones , es el área de la sección transversal de los electrones y es la velocidad de la luz . ${\displaystyle n_{e}}$ ${\displaystyle \sigma _{e}}$ ${\displaystyle c}$

En la era dominada por la materia (cuando tiene lugar la recombinación),

${\displaystyle H\varpropto a^{-{3/2}}}$

donde es el factor de escala cósmico . también disminuye como una función más complicada de , a un ritmo más rápido que . ^[2] Al calcular la dependencia precisa de y del factor de escala e igualar , es posible demostrar que el desacoplamiento de fotones ocurrió aproximadamente 380.000 años después del Big Bang , a un corrimiento al rojo de ^[3] cuando el universo estaba a una temperatura de alrededor de 3000 K. ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \Gamma =H}$ ${\displaystyle z=1100}$

Desacoplamiento de neutrinos

Otro ejemplo es el desacoplamiento de neutrinos que se produjo en el lapso de un segundo tras el Big Bang. ^[4] De manera análoga al desacoplamiento de los fotones, los neutrinos se desacoplaron cuando la tasa de interacciones débiles entre neutrinos y otras formas de materia cayó por debajo de la tasa de expansión del universo, lo que produjo un fondo cósmico de neutrinos que fluían libremente. Una consecuencia importante del desacoplamiento de neutrinos es que la temperatura de este fondo de neutrinos es inferior a la temperatura del fondo cósmico de microondas.

WIMPs: desacoplamiento no relativista

El desacoplamiento también puede haber ocurrido para el candidato a materia oscura , las WIMP . Estas se conocen como "reliquias frías", lo que significa que se desacoplaron después de que se volvieron no relativistas (en comparación, los fotones y los neutrinos se desacoplaron mientras aún eran relativistas y se conocen como "reliquias calientes"). Al calcular el tiempo y la temperatura hipotéticos de desacoplamiento para las WIMP no relativistas de una masa particular, es posible encontrar su densidad . ^{[5] Comparando esto con el} parámetro de densidad medido hoy de la materia oscura fría de 0,222 0,0026 ^[6] es posible descartar las WIMP de ciertas masas como candidatos razonables a materia oscura. ^[7] ${\displaystyle \pm }$

Véase también

• Recombinación
• Cronología del universo
• Acoplamiento de Wouthuysen-Field

Referencias

1. Ryden, Barbara Sue (2003). Introducción a la cosmología . San Francisco: Addison-Wesley .
2. Kolb, Edward; Turner, Michael (1994). El universo primitivo . Nueva York: Westview Press .
3. Hinshaw, G.; Weiland, JL; Hill, RS; Odegard, N.; Larson, D.; Bennett, CL; Dunkley, J.; Gold, B.; Greason, MR; Jarosik, N. (1 de febrero de 2009). "Observaciones de cinco años de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP): procesamiento de datos, mapas del cielo y resultados básicos". The Astrophysical Journal Supplement Series . 180 (2): 225–245. arXiv : 0803.0732 . Código Bibliográfico : 2009ApJS..180..225H. doi :10.1088/0067-0049/180/2/225. S2CID  3629998.
4. Longair, MS (2008). Formación de galaxias (2.ª ed.). Berlín: Springer. ISBN 9783540734772.
5. Bringmann, Torsten; Hofmann, Stefan (23 de abril de 2007). "Desacoplamiento térmico de WIMP a partir de los primeros principios". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 2007 (4): 016. arXiv : hep-ph/0612238 . Bibcode :2007JCAP...04..016B. doi :10.1088/1475-7516/2007/04/016. S2CID  18178435.
6. Jarosik, N. (4 de diciembre de 2010). "Observaciones de siete años de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP): mapas del cielo, errores sistemáticos y resultados básicos. Tabla 8". Serie de suplementos de revistas astrofísicas . 192 (2): 14. arXiv : 1001.4744 . Código Bibliográfico :2011ApJS..192...14J. doi :10.1088/0067-0049/192/2/14. S2CID  46171526.
7. Weinheimer, C. (2011). "Resultados de materia oscura a partir de 100 días en vivo de datos de XENON100". Physical Review Letters . 107 (13): 131302. arXiv : 1104.2549 . Código Bibliográfico :2011PhRvL.107m1302A. doi :10.1103/physrevlett.107.131302. PMID  22026838. S2CID  9685630.