Soweit ich die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung verstehe, stammt sie vom Urknall, und da sich der Weltraum seitdem ausgedehnt und vergrößert hat, hat die Wellenlänge des CMBR im Laufe der Zeit zugenommen, was bedeutet, dass das Universum aufhörte, undurchsichtig zu sein nicht Mikrowellen, sondern Gammastrahlen, das muss bedeuten, dass es von Gammastrahlen zu Röntgenstrahlen zu ultraviolettem zu sichtbarem Licht (blau, dann ganz nach rot) und dann zu Infrarot und jetzt zu Mikrowellen ging.
Das CMB wurde mit einer Energie von emittiert , die die Bindungsenergie von Wasserstoff ist. Dies entspricht einer Wellenlänge von
Die Frage ist also einfach, wenn das CMB mit der Ionisationsenergie von Wasserstoff emittiert wurde, warum ist es ein Schwarzkörperspektrum anstelle eines Linienspektrums?
Zur Epoche der (Re-)Kombination war das Strahlungsfeld des Universums ein schwarzer Körper mit einer Temperatur von etwa 3000 K.
Ich bin mir nicht sicher, wo Sie auf die Idee kommen, dass die Temperatur direkt durch die Bindungsenergie eines Wasserstoffatoms gegeben ist - das ist nicht der Fall. Ein schwarzer Körper bei 3000 K hat eine durchschnittliche Photonenenergie von 0,7 eV, aber wenn es heißer ist, gibt es genug Photonen mit Energien über 13,6 eV, um alle H-Atome zu ionisieren.
Vor der Rekombination bestand das Universum aus freien Elektronen, Protonen, Heliumatomen und einer sehr kleinen Anzahl von Wasserstoffatomen und Alphateilchen im thermodynamischen Gleichgewicht.
Da sich das Plasma im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, werden alle Emissionsprozesse durch Absorptionsprozesse ausgeglichen und die Quellenfunktion ist durch die Planck-Schwarzkörperfunktion gegeben. Da außerdem die mittlere freie Weglänge eines Photons viel kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit dem Alter des Universums, hauptsächlich aufgrund der Lichtundurchlässigkeit freier Elektronen, ist das Universum effektiv optisch dick . Unter solchen Umständen sagt uns die Strahlungstransportgleichung, dass sich das Strahlungsfeld der Quellenfunktion annähert, die in diesem Fall die Planck-Schwarzkörperfunktion ist .
Die Rekombination findet bei 3000 K statt, da bei dieser Temperatur und darunter nicht genügend Photonen mit ausreichend hoher Energie vorhanden sind, um viel Wasserstoff zu ionisieren. Sie können den Ionisationsanteil mit der Saha-Gleichung berechnen - dies zeigt, dass der Ionisationsanteil bei abrupt abnimmt K (siehe hier für einige Details). Bei der Rekombination der Wasserstoffatome sinkt die Opazität durch das Verschwinden freier Elektronen um Größenordnungen und das zu diesem Zeitpunkt bestehende Strahlungsfeld kann sich dann frei im Universum ausbreiten.
Ihre eigentliche Frage könnte sein, warum ein Gas, das aus Elektronen, Protonen und Atomen besteht, ein kontinuierliches Spektrum erzeugen kann. Die Antwort darauf ist, dass es bei allen Wellenlängen genügend Opazität gibt, um das Universum bei diesen Wellenlängen optisch dick zu machen, und dass Absorptions- und Emissionsprozesse im Detail ausgeglichen sein müssen. Die relevanten Prozesse, die Photonen über ein Kontinuum von Wellenlängen absorbieren, sind Elektronenstreuung, inverse Bremsstrahlung und photoelektrische Absorption, mit inversen Kontinuum-Emissionsprozessen von inverser Compton-Streuung, Bremsstrahlung und Rekombinationsstrahlung.
Es wäre ein Linienspektrum gewesen, wenn es ausschließlich aus Photonen bestand, die beim Übergang von Elektronen aus einem freien Zustand in den Grundzustand des Wasserstoffatoms während der Rekombination emittiert wurden. Aber die meiste Strahlung war nur Photonenstreuung geladener Elektronen und Protonen in einem „Plasma“. Aufgrund dieser Streuung konnte kein Licht entweichen und daher war Plasma für Licht aller Wellenlängen undurchlässig (was effektiv istdie Definition eines schwarzen Körpers) Da die Photonen und das Plasma im Gleichgewicht waren (das ist der Grund, warum das CMB über den Himmel gleichmäßig ist, weil es das thermodynamische Gleichgewicht erreicht hat) und die gleiche durchschnittliche Energie hatten, hatten sie eine bestimmte Temperatur. Aus diesem Grund verhielt sich das Plasma wie ein schwarzer Körper im Gleichgewicht bei einer festen Temperatur. Sobald die Rekombination auftrat, wurde das Plasma fast transparent und ließ die Schwarzkörperstrahlung durch, die wir heute empfangen.
EDIT: Wie Rob Jeffries betonte, war die Temperatur der Photonen, die ich anfangs erwähnte, falsch. Die korrekte Temperatur der Photonen ergibt sich aus der Saha-Gleichung, wie er in seiner Antwort geschrieben hat.
rauben
Pela