¿Debería la temperatura medida del Big Bang ser la energía de ionización del hidrógeno, 13.6 eV (158,000 Kelvin)? (En este punto, la falta de electrones libres haría que el gas sea transparente)?

La lógica suena bien pero hay que tener cuidado. Aunque esta es la energía cuando se podría esperar que los átomos de hidrógeno estén a punto de ionizarse / convertirse en átomos neutros, existe el problema de que las partículas en un gas tienen una distribución aleatoria de energías. Entonces, a temperaturas muy por debajo de la que usted cita, una fracción significativa de partículas tendría 13.6ev o más. Entonces, se convierte en una cuestión de qué fracción de las partículas aún se puede ionizar y que el universo sea transparente. Luego debe usar el factor boltzman para calcular la temperatura.

El problema es similar a la idea de que necesita una temperatura de 100 grados C para hervir agua. Las suficientes moléculas de agua tienen suficiente energía para acelerar la evaporación del agua a solo 80 ° C. Los charcos se evaporan en las carreteras a 20 ° C y los alimentos en el congelador a -14 ° C pueden deshidratarse a través de la evaporación del agua.

Estoy bastante seguro de que la temperatura a la que se produjo la transparencia será muy inferior a 158 000 Kelvin

No, esto es demasiado caliente para la temperatura inicial de los fotones que vemos ahora en el CMB. Recuerde que inicialmente la relación fotón-barión en el Big Bang caliente es aproximadamente [matemática] 10 ^ {9}: 1. [/ Matemática]

Este parámetro [math] n_ \ gamma / n_B [/ math] es uno de los más críticos en la nucleosíntesis del Big Bang, y hasta ahora no tenemos una buena explicación fundamental de [math] n_B. [/ Math]

Los fotones en este momento, cuando sus temperaturas han caído a 13,6 eV, en realidad ya se han desacoplado térmicamente de la materia, y sus interacciones están dominadas por la dispersión de Thomson. La expansión del universo está dominada por la materia en este punto, ciertamente si hay materia oscura fría presente en las cantidades habituales.

A una temperatura de aproximadamente 3500 K, un plasma neutro de hidrógeno es aproximadamente 50% ionizado. Entonces, mientras que el tiempo de ‘recombinación’, realmente debería llamarse el tiempo de combinación, ya que estos son los primeros átomos de hidrógeno de duración relativamente larga que se forman, apenas comienza a 13.6 eV, y se hace aproximadamente a la mitad a 3500 K, todavía hay una gran dispersión de los fotones en los electrones libres y todavía no fluyen libremente a través del cosmos. Pero la distribución de energía de los fotones ya no está siendo influenciada en este momento por su interacción con la materia.

Los fotones de recombinación, que provienen de la formación de átomos de hidrógeno, son solo un contaminante muy pequeño y una pequeña contribución a la distribución de fotones, dada la enorme proporción inicial de fotón a barión.

La temperatura inicial de los fotones que finalmente vemos en el CMB es la temperatura en la superficie de la última dispersión, que es donde la densidad de electrones cae lo suficiente como para que la dispersión de fotones en los electrones libres restantes resulte en un camino libre medio del orden de la dispersión. Inverso de la constante de Hubble, de modo que los fotones finalmente se desacoplan de la materia y fluyen libremente a través del universo, sin interactuar nuevamente.

Esto finalmente sucede a una temperatura de aproximadamente 2900 K, con una distribución gaussiana bastante estrecha alrededor de la media.

Los fotones CMB que vemos provienen de esa superficie, la superficie de la última dispersión, y han sido desplazados hacia el rojo a la temperatura actual de 2.7 K por la expansión dominada por la materia posterior, por un factor de aproximadamente 1070.

No medimos la temperatura del Big Bang: medimos la temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB), que son los fotones que nos han estado transmitiendo libremente a través del universo desde la recombinación.

En el punto de recombinación, cuando los electrones y protones libres se combinaron, la temperatura de la CMB estaba cerca de 13,6 eV porque, como acertadamente supusiste, fue cuando los fotones se volvieron incapaces de ionizar el hidrógeno neutro. La temperatura actual es de alrededor de 0.1 eV más o menos, porque había muchos más fotones que átomos de hidrógeno alrededor. Esta transición de ionizado a neutro ocurrió extremadamente rápido (bueno, de todos modos en escalas de tiempo cosmológicas), porque la población de fotones se suprime exponencialmente en función de la energía.

Desde entonces, estos fotones se han desplazado al rojo y se han enfriado hasta el día de hoy, por lo que hoy medimos que la temperatura de CMB es de 2.7 K (aproximadamente 0.00025 eV).

En realidad, Wikipedia ofrece una respuesta muy detallada a esta pregunta (ver Recombinación (cosmología)).

La esencia de esto, como lo sugirieron otros, es que no necesita que el gas de hidrógeno esté completamente ionizado para que sea opaco. De hecho, un porcentaje bastante pequeño es suficiente para hacer que el gas sea bastante opaco en escalas de distancia astronómicas.

Las tres ecuaciones clave en el artículo de Wikipedia son la llamada ecuación de Saha, la igualdad del número de protones y electrones libres (de lo contrario, el gas tendría una carga eléctrica neta) y la relación entre las densidades de los números de protones y átomos de hidrógeno frente a la desplazamiento al rojo:

[matemáticas] \ begin {align} {\ dfrac {n _ {\ text {p}} n _ {\ text {e}}} {n _ {\ text {H}}}} & = \ left ({\ dfrac {m_ {\ text {e}} k _ {\ text {B}} T} {2 \ pi \ hbar ^ {2}}} \ right) ^ {3/2} \ exp \ left (- {\ dfrac {E_ { \ text {I}}} {k _ {\ text {B}} T}} \ right), \\ n _ {\ text {e}} & = n _ {\ text {p}}, \\ n _ {\ text {p}} + n _ {\ text {H}} & \ simeq 1.6 (1 + z) ^ {3} ~ {\ text {m}} ^ {- 3}. \ end {align} \ tag * {} [/ math]

Cuando inserta los números (específicamente, [matemática] T = 3,000 ~ {\ text {K}} [/ matemática], [matemática] z = 1100 [/ matemática]) obtiene [matemática] n _ {\ text {p }} / n _ {\ text {H}} \ simeq 0.0017 [/ math], es decir, todavía hay una fracción notable (casi 0.2%) de átomos de hidrógeno que se ionizan a esta temperatura.

Debemos entender que, a la temperatura cuando comenzó el Big Bang, no había átomos de hidrógeno, la temperatura es muy alta, alrededor de 10 ^ 12 k, el átomo de hidrógeno comenzó a formarse aproximadamente a 380000-400000 años después del momento del Big Bang. La era comenzó primero, donde se trata de plasma ionizado, opaco a http://light.Así que alrededor de 400000 años la era de la materia comenzó donde tuvo lugar la producción del primer par. y la temperatura está bajando / bajando. Entonces, la mayoría de los elementos ligeros, como H, He y poco de litio. Este es el estado científico del comienzo del universo, desde 10 ^ -36 segundos hasta aproximadamente 400000 años.

Es un período de tiempo identificable en el tiempo, por lo que es útil. Preferiría que se usara un término más específico que “la temperatura medida del big bang”, pero eso tiene poca consecuencia.

Es algo parecido a la situación cuando se asigna un nombre y / o derechos a una nueva persona. Algunas personas piensan que el punto de concepción es el punto correcto, a pesar de la falta de capacidad para identificar ese momento con precisión o exactitud. La hora y fecha de nacimiento, o la separación del cuerpo de la madre, es un evento observable y registrable que se usa comúnmente. Algunas culturas esperan hasta que la viabilidad de la descendencia se haya demostrado por algún tiempo.

No , ya que también se produjo una fusión significativa justo después del evento Big Bang (se hicieron helio y más). Esto requiere una temperatura más alta. Y dado que podemos extrapolar desde las “temperaturas de gas / plasma comprimido” mostradas hasta estados anteriores, más comprimidos y más calientes, ¿por qué deberíamos elegir algún otro valor?

Precisamente “cuando” en el desarrollo del Universo desde el evento Big Bang, a esta temperatura arbitrariamente seleccionada, ¿crees que deberíamos llamar “el Big Bang” de tal manera que solo tuviera una temperatura?

Esta cuestión de medir la temperatura del Big Bang me recuerda una teoría de la que mi papá me contó que había oído hablar. Debe haber sido a fines de los años cincuenta o principios de los sesenta. La teoría de la que había escuchado y que me había dicho era que si uno tenía un micrófono lo suficientemente bueno, se podía escuchar a Jesucristo hablando … Tanto escuchar a Jesucristo hablando y medir la temperatura del Big Bang parece muy similar y ridículo.

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