Découplage (cosmologie) - Decoupling (cosmology)

Partie d'une série sur
Cosmologie physique
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Histoire du sujet Découverte du rayonnement de fond cosmique des micro - ondes Histoire de la théorie du Big Bang Interprétations religieuses de la théorie du Big Bang Chronologie des théories cosmologiques
Catégorie  Portail d'astronomie
v t e

En cosmologie , le découplage fait référence à une période de développement de l'univers où différents types de particules tombent hors de l' équilibre thermique les uns avec les autres. Cela se produit à la suite de l' expansion de l'univers , car leurs taux d'interaction diminuent (et les trajets libres moyens augmentent) jusqu'à ce point critique. Les deux exemples vérifiés de découplage depuis le Big Bang qui sont le plus souvent discutés sont le découplage des photons et le découplage des neutrinos, car ils ont conduit respectivement au fond cosmique micro-ondes et au fond cosmique neutrino .

Le découplage des photons est étroitement lié à la recombinaison , qui s'est produite environ 378000 ans après le Big Bang (à un redshift de z  = 1100 ), lorsque l'univers était un plasma chaud et opaque («brumeux») . Au cours de la recombinaison, les électrons libres se sont liés aux protons (noyaux d'hydrogène) pour former des atomes d' hydrogène neutres . Parce que les recombinaisons directes à l' état fondamental (énergie la plus basse) de l'hydrogène sont très inefficaces, ces atomes d'hydrogène se forment généralement avec les électrons dans un état de haute énergie, et les électrons passent rapidement à leur état de basse énergie en émettant des photons . Parce que l'hydrogène neutre qui s'est formé était transparent à la lumière, les photons qui n'étaient pas capturés par d'autres atomes d'hydrogène ont pu, pour la première fois dans l' histoire de l'univers , parcourir de longues distances. Ils peuvent encore être détectés aujourd'hui, bien qu'ils apparaissent maintenant comme des ondes radio, et forment le fond cosmique des micro-ondes ("CMB"). Ils révèlent des indices cruciaux sur la formation de l'univers.

Découplage photonique

Le découplage des photons s'est produit à l' époque connue sous le nom de recombinaison. Pendant ce temps, les électrons se sont combinés avec des protons pour former des atomes d'hydrogène , entraînant une chute soudaine de la densité électronique libre. Le découplage s'est produit brusquement lorsque le taux de diffusion Compton des photons était approximativement égal au taux d' expansion de l'univers , ou encore lorsque le libre parcours moyen des photons était approximativement égal à la taille de l' horizon de l'univers . Après cela, les photons ont pu circuler librement , produisant le fond cosmique micro-ondes tel que nous le connaissons, et l'univers est devenu transparent. ${\ displaystyle \ Gamma}$ ${\ displaystyle H}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle H ^ {- 1}}$

Le taux d'interaction des photons est donné par

${\ displaystyle \ Gamma = {\ frac {c} {\ lambda}} = n_ {e} \ sigma _ {e} c}$

où est la densité du nombre d' électrons , l' aire de la section transversale des électrons et la vitesse de la lumière . ${\ displaystyle n_ {e}}$${\ displaystyle \ sigma _ {e}}$${\ displaystyle c}$

À l' ère dominée par la matière (quand la recombinaison a lieu),

${\ displaystyle H \ varpropto a ^ {- {3/2}}}$

où est le facteur d'échelle cosmique . diminue également en tant que fonction plus compliquée de , à un rythme plus rapide que . En travaillant la dépendance précise de et sur le facteur d'échelle et assimilant , il est possible de montrer que le découplage des photons a eu lieu environ 380.000 ans après le Big Bang , à un redshift de quand l'univers était à une température d' environ 3000 K. ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle \ Gamma}$${\ displaystyle a}$${\ displaystyle H}$${\ displaystyle H}$${\ displaystyle \ Gamma}$${\ displaystyle \ Gamma = H}$${\ displaystyle z = 1100}$

Découplage des neutrinos

Un autre exemple est le découplage des neutrinos qui s'est produit à moins d'une seconde du Big Bang. Analogue au découplage des photons, les neutrinos se sont découplés lorsque le taux d' interactions faibles entre les neutrinos et d'autres formes de matière a chuté en dessous du taux d'expansion de l'univers, ce qui a produit un fond de neutrinos cosmique de neutrinos en flux libre. Une conséquence importante du découplage des neutrinos est que la température de ce fond de neutrinos est inférieure à la température du fond cosmique des micro-ondes.

WIMPs: découplage non relativiste

Un découplage peut également s'être produit pour le candidat de matière noire , les WIMP . Celles-ci sont connues sous le nom de «reliques froides», ce qui signifie qu'elles se sont découplées après qu'elles sont devenues non relativistes (par comparaison, les photons et les neutrinos se sont découplés tout en restant relativistes et sont connus sous le nom de «reliques chaudes»). En calculant le temps et la température hypothétiques de découplage pour des WIMP non relativistes d'une masse particulière, il est possible de trouver leur densité . En comparant cela au paramètre de densité mesuré de la matière noire froide aujourd'hui de 0,222 0,0026, il est possible d'exclure les WIMP de certaines masses comme candidats raisonnables de matière noire. ${\ displaystyle \ pm}$

Voir également

• Recombinaison
• Chronologie de l'univers

Références