Atome können Photonen absorbieren und emittieren. Aber es wird gesagt, dass die Photonen entkoppelt wurden, als die neutralen Atome zum ersten Mal gebildet wurden. Wenn die Atom-Photon-Wechselwirkung erlaubt ist, wie können wir dann sagen, dass Photonen entkoppelt wurden? Hört nach der Rekombination die Wechselwirkung neutraler Atome mit CMB-Photonen (durch Absorption und Emission) auf? Warum? Danke!
Nein, die Wechselwirkung von Atomen und Photonen hört nicht auf, aber sie wird klein genug, um vernachlässigt zu werden.
Auf einer grundlegenden Ebene ist die mittlere freie Weglänge eines Photons , Wo ist die Anzahldichte (pro Volumeneinheit) der Teilchen, die Photonen absorbieren/streuen und ist die Querschnittsfläche ihrer Wechselwirkung mit den Photonen.
Vor der Entkopplung ist der Querschnitt im Wesentlichen der Thomson-Streuquerschnitt freier Elektronen - M und wellenlängenunabhängig ist . Die Anzahldichte der Elektronen beträgt ca M und die Rekombination tritt bei etwa auf . Somit beträgt die mittlere freie Weglänge für Licht (jeder Wellenlänge) etwa 700 Lichtjahre. Da das Universum zu diesem Zeitpunkt jedoch etwa 400.000 Jahre alt ist, bedeutet dies, dass das Universum für die darin enthaltene Strahlung effektiv undurchlässig ist (dh ein Photon könnte vor der Wechselwirkung nur einen kleinen Bruchteil der Größe des beobachtbaren Universums zurücklegen).
Nach Rekombination ist der Wert von fallen bei fast allen Wellenlängen steil um viele Größenordnungen (mindestens drei) ab (die Ausnahme wären die diskreten Hauptübergänge in einem neutralen Wasserstoffatom). Die Dichte von Wasserstoffatomen ist ungefähr die gleiche wie die von Elektronen vor der Rekombination, aber weil der Querschnitt so viel kleiner ist, wird das Universum für die Photonen (bei den meisten Wellenlängen) effektiv transparent und wird es noch mehr, wenn sich das Universum ausdehnt und die Dichte wird kleiner.
Während der Rekombination treten die Elektronen in höhere Energiezustände des Systems ein und fallen dann in den Grundzustand. Anschließend findet eine Photonenproduktion statt, und viele dieser Photonen wurden von den neu gebildeten neutralen Atomen reabsorbiert.
Betrachten Sie Photonen, die an freien Elektronen gestreut werden. Sie können die Rate der Compton-Streuung berechnen und diese mit der Expansionsrate des Universums vergleichen. Irgendwann wäre die Rate der Compton-Streuung viel geringer, wenn Elektronen gebunden werden, und die mittleren freien Wege der Photonen wären etwa so groß wie der Horizont. An diesem Punkt können sie als entkoppelt angesehen werden, da die mittlere freie Weglänge die Größe des Horizonts hat .