Wenn die Photonenentkopplung eine Abweichung vom Gleichgewicht war, warum weist CMB ein Schwarzkörperspektrum auf?

Die Auskopplung von Photonen aus dem kosmischen Plasma oder Thermalbad soll ein Ausgangspunkt für das thermische Gleichgewicht sein . Aber wir wissen, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB), bestehend aus den entkoppelten Photonen, mit einer erstaunlichen Genauigkeit von einer Schwarzkörper-Verteilungskurve übereinstimmt 1 % . Wärmestrahlung kann jedoch nur dann ein Schwarzkörperspektrum haben, wenn die Strahlung im Gleichgewicht mit dem Hohlraum ist.

Wenn also die Photonen nicht im Gleichgewicht sind, warum haben wir dann eine Schwarzkörperverteilung für das CMB?

Ich sehe es so, als ob das Universum beim Entkoppeln oder kurz davor ein BB war. Ich bin naiv, da ich kein Spezialist bin. Aber bin ich zu naiv?

Antworten (1)

Ich bin mir nicht ganz sicher, was Sie mit "Gleichgewicht mit dem Hohlraum" meinen, aber Strahlung und Materie befanden sich bis zur Entkopplung 379.000 Jahre nach dem Urknall im thermischen Gleichgewicht, dh Photonen und Teilchen hatten dieselbe Energieverteilung. Diese Energie war durch die Temperatur gegeben, also war das Spektrum der Photonen ein Planck-Spektrum, charakteristisch für einen schwarzen Körper.

Die „Rekombination“ von Protonen und Elektronen, zusammen mit der Expansion des Universums, erschöpfte den Raum seines Hauptstreumittels, der Elektronen, über einen ziemlich kurzen Zeitraum. In ein paar 10 4 Jahr ging die Streurate von Photonen von deutlich kürzer als die Expansionsrate des Universums zu deutlich länger über . Das ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass die mittlere freie Weglänge der Photonen von kürzer als die Größe des beobachtbaren Universums zu länger wurde.

Danach haben (die meisten) Photonen mit nichts interagiert, also sind sie immer noch genau die gleichen Photonen, die damals freigesetzt wurden, nur dass sie auf ihrem Weg durch das expandierende Universum rotverschoben sind. Das heißt, sie zeigen immer noch das gleiche Planck-Spektrum wie damals, nur rotverschoben.

Sie könnten denken, dass, weil die Photonen nicht genau gleichzeitig entkoppelt wurden, das Spektrum kein exaktes Planck-Spektrum sein sollte , sondern ein wenig "verschmiert" sein sollte. Aber die Photonen waren schon immer einer Rotverschiebung unterworfen, auch vor und während der Entkopplung. Als das Universum, sagen wir, 370.000 Jahre alt war, war es 2987 K heiß (unter Verwendung einer Planck-Kosmologie von 2016), und so erreichte sein Spektrum seinen Höhepunkt

λ P e A k , 370 k j R = B 2 987 K = 970 N M ,
Wo B ist die Wiensche Verschiebungskonstante . Auf der anderen Seite würden Photonen, die spät entkoppelt wurden, beispielsweise als das Universum 390.000 Jahre alt war und die Temperatur auf 2895 K gefallen war, ihren Höhepunkt erreichen
λ P e A k , 390 k j R = B 2 895 K = 1 001 N M .
Aber in den 20.000 Jahren wurde das Photon A entkoppelt λ = 970 N M bis Photon B entkoppelt mit λ = 1001 N M , hat sich Photon A rotverschoben λ = 1001 N M , also nicht von einem Photon B zu unterscheiden.

Aus diesem Grund wird der CMB durch eine so perfekte Schwarzkörperkurve beschrieben.

Ich bin mir nicht ganz sicher, was Sie mit "Gleichgewicht mit dem Hohlraum " meinen ... Die Diskussion des BB-Spektrums geht davon aus, dass es in einem metallischen Hohlraum, der auf einer festen Temperatur T gehalten wird, eine gewisse Wärmestrahlung gibt. Es liegt an der Wechselwirkung mit den Atomen von die Wände des Hohlraums, der bewirkt, dass sich die Wärmestrahlung bei der Temperatur T äquilibriert und das BB-Spektrum erreicht. @pela
@SRS Es gibt mehrere Möglichkeiten, die funktionale Form eines Planck-Spektrums abzuleiten. Die "Welle in einer Box" ist meiner Meinung nach eine heuristische, klassische Art der Ableitung. Aber sowohl Photonen als auch andere Teilchen haben eine Energieverteilung, auch ohne in einer Box eingeschlossen zu sein. Bei einer Partikelwolke können die sich schnell bewegenden Partikel entweichen, sodass das verbleibende Ensemble eine nicht-Plancksche Verteilung aufweist. Aber wenn die Wolke unendlich groß ist – wie im Fall des Universums – gibt es keinen Ausweg, also ändert sich die Verteilung nicht.
Aber wo ist die Abweichung vom Gleichgewicht? @pela
@SRS Wenn ich Sie richtig verstehe, ist die Abweichung vom Gleichgewicht, auf die Sie sich beziehen, die Tatsache, dass die Strahlung nach der Entkopplung nicht mehr mit Materie interagiert, sodass Strahlung und Materie nicht mehr im Gleichgewicht sein müssen.
Da Photonen nicht miteinander interagieren, würden sie, wenn Sie alle Photonen unter einer bestimmten Energieschwelle auf magische Weise entfernen würden, weiterhin aus dem Spektrum fehlen. Wenn Sie das dagegen vor der Entkopplung tun würden, würden sie wieder erscheinen, weil sie im Gleichgewicht mit der Materie waren, also tauschten sie ständig Energie aus.
Wenn die Photonenentkopplung eine Abweichung vom Gleichgewicht war, warum weist CMB ein Schwarzkörperspektrum auf?
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