Después del Big Bang, el plasma de partículas se expandió y enfrió rápidamente. Era algo así como esta máquina de nieve:
Esta máquina en realidad rocía agua líquida a alta presión. A medida que el agua se expande, en realidad se enfría a través del efecto Joule-Thomson y se une en pequeñas partículas de hielo, cayendo al suelo como nieve.
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El universo primitivo estaba en una situación similar. Estaba hecho de un plasma caliente de electrones, protones, neutrones y otras partículas elementales. A medida que este plasma de partículas cargadas se expandió, la distancia promedio entre partículas aumentó. La energía potencial de dos partículas con carga opuesta es [matemática] V \ propto -1 / r [/ matemática] donde [matemática] r [/ matemática] es la distancia entre ellas. Entonces, a medida que aumentaban las distancias entre las partículas cargadas, aumentaba la energía potencial. Debido a que la energía total (energía total = energía cinética + energía potencial) es siempre constante, un aumento en la energía potencial significa una disminución en la energía cinética del plasma. La temperatura de un objeto es proporcional a su energía cinética total, por lo que el resultado de esta expansión es una temperatura decreciente. Este efecto termodinámico, que es el mismo mecanismo explotado por la máquina de nieve anterior, es el efecto Joule-Thomson.
Para que un electrón en un átomo de hidrógeno escape de la atractiva fuerza de Coulomb del protón, debe tener al menos 13,6 eV de energía cinética (debe tener una velocidad de escape suficientemente grande para superar la fuerza de Coulomb). Del mismo modo, si un electrón se acerca a un protón con menos de 13,6 eV de energía cinética, entonces estará unido al protón, formando un átomo de hidrógeno. Por lo tanto, cuando el plasma en expansión se enfrió y la energía cinética de los electrones cayó por debajo de este umbral crítico, se unieron a los protones, formando átomos.
Este evento, llamado Recombination, ocurrió unos 400,000 años después del Big Bang. Cuando esto sucedió, la radiación electromagnética (luz) que había quedado atrapada por el plasma de repente pudo propagarse libremente y explotó hacia afuera, dejando atrás lo que vemos ahora como el fondo cósmico de microondas. Es posible que haya visto esto usted mismo. Si alguna vez activó el canal en un televisor analógico y se puso estático, un pequeño porcentaje de esa estática es causado por este fondo de microondas. Puede que no te hayas dado cuenta en ese momento, pero en realidad estabas viendo el comienzo del universo.