Цикл работ "Физика космологической рекомбинации"

Примерно через 260 тыс лет после Большого взрыва космическая плазма

остыла до такой степени, что стало возможным существование нейтральных

атомов водорода. К тому времени температура изотропного

чернотельного реликтового излучения Вселенную опустилась до 3800 град

К. Процесс рекомбинации связан с испусканием нескольких фотонов при

переходе электронов с верхних уровней атома водорода на основной. Уже

в течение 40 лет известно, что физика космологической рекомбинации

очень необычна. Это во-первых связано с тем, что в медленно

расширяющейся Вселенной выход фотонов из резонансного перехода

Лайман-альфа оказывается затруднен, благодаря чему сильно

возрастает роль двухфотонного распада метастабильного уровня

2s. Во-вторых, из-за огромного преобладания фотонов над протонами

заселенность уровней атома водорода полностью определяется скростями

излучательных процессов.

В данной работе были впервые выполнены детальные вычисления спектра

рекомбинационного излучения, возникающего при всех возможных переходах

с уровней атома водорода вплоть до 100-го, с учетом таких

процессов (в дополнение к основным), как вынужденный двухфотонный

распад уровня 2s атома водорода, двухфотонный распад

высоковозбужденных уровней и другие.

Из-за расширения Вселенной рекомбинационное излучение смещается в

красную сторону спектра более чем в 1000 раз, в результате чего

фотоны, испущенные в ультрафиолетовом диапазоне

приходят к нам уже в субмиллиметровом диапазоне спектра. В результате

переходов между высоковозбужденными уровнями к нам должны приходить

и фотоны в радиодиапазоне, там где экспериментальные установки для

наблюдения реликтового фона уже достигли потрясающей

чувствительности. В настоящее время разрабатываются телескопы, которые

позволят фиксировать флуктуации микроволнового фона на уровне 10

нК. Такая чувствительность достаточна для измерения связанных с

рекомбинации спектральных искажений фона, ожидаемая амплитуда которых

составляет 50-100 нК. Такие измерения позволят точно измерить

температуру микроволнового фона и энтропию Вселенной, а также

восстановить в подробностях картину того, как Вселенная становилась

прозрачной.

Кроме того, были расчитаны релятивисткие поправки к темпу двойного

комптоновского рассеяния, связанные с высокой температурой

плазмы. Оценено их влияние на процесс термолизации спектральных

искажений мю-типа реликтового фона, возникающих в дорекомбинационную эпоху

Вселенной. Показано, что релятивистские эффекты оказывают влияние на

уровне нескольких процентов и, возможно, потребуют учета при

интерпретации данных наблюдений будущих экспериментов.

Авторы: Сюняев Р.А., Сазонов С.Ю.

Список литературы:

1) Chluba J., Sazonov S.Yu., Sunyaev R.A.

"The double Compton emissivity in a mildly relativistic thermal plasma

within the soft photon limit"

2007 Astronomy and Astrophysics 468, 785

2) Chluba J., Rubino-Martin J.A., Sunyaev R.A.

"Cosmological hydrogen recombination: populations of the high-level

substates"

2007 Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 374, 1310

3) Chluba J., Sunyaev R.A.

"Free-bound emission from cosmological hydrogen recombination"

2006 Astronomy and Astrophysics 458, L29

4) Rubino-Martin J.A., Chluba J., Sunyaev R.A.

"Lines in the cosmic microwave background spectrum from the epoch of

cosmological hydrogen recombination"

2006 Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 371, 1939

5) Chluba J., Sunyaev R.A.

"Induced two-photon decay of the 2s level and the rate of cosmological

hydrogen recombination"

2006 Astronomy and Astrophysics 446, 39