Amortissement de diffusion - Diffusion damping

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Dans la théorie cosmologique moderne , l' amortissement de diffusion , également appelé amortissement de diffusion photonique , est un processus physique qui réduit les inégalités de densité ( anisotropies ) dans l' univers primitif , rendant l'univers lui-même et le rayonnement de fond diffus cosmologique (CMB) plus uniformes. Environ 300 000 ans après le Big Bang , à l'époque de la recombinaison , des photons diffusants ont voyagé des régions chaudes de l'espace vers les régions froides, égalisant les températures de ces régions. Cet effet est responsable, avec les oscillations acoustiques baryoniques , l' effet Doppler et les effets de la gravité sur le rayonnement électromagnétique , de la formation éventuelle de galaxies et d' amas de galaxies , qui sont les structures dominantes à grande échelle observées dans l'univers. C'est un amortissement par diffusion, pas de diffusion.

La force de l'amortissement de diffusion est calculée par une expression mathématique du facteur d'amortissement , qui figure dans l' équation de Boltzmann , une équation qui décrit l'amplitude des perturbations dans le CMB. La force de l'amortissement de diffusion est principalement régie par la distance parcourue par les photons avant d'être diffusés (longueur de diffusion). Les principaux effets sur la longueur de diffusion proviennent des propriétés du plasma en question : différentes sortes de plasma peuvent subir différentes sortes d'amortissement de diffusion. L'évolution d'un plasma peut également affecter le processus d'amortissement. L'échelle sur laquelle fonctionne l'amortissement par diffusion s'appelle l' échelle de soie et sa valeur correspond à la taille des galaxies d'aujourd'hui. La masse contenue dans l'échelle de la soie s'appelle la masse de la soie et correspond à la masse des galaxies.

introduction

Le spectre de puissance de l'anisotropie de la température du rayonnement du fond diffus cosmologique en termes d'échelle angulaire (ou moment multipolaire ). L'amortissement de la diffusion peut être facilement observé dans la suppression des pics de puissance lorsque l  1000.

L'amortissement de la diffusion a eu lieu il y a environ 13,8 milliards d'années, au cours de l'étape de l'univers primitif appelée recombinaison ou découplage matière-rayonnement . Cette période s'est produite environ 320 000 ans après le Big Bang . Cela équivaut à un décalage vers le rouge d'environ z  = 1090. La recombinaison était l'étape au cours de laquelle des atomes simples , par exemple de l' hydrogène et de l' hélium , ont commencé à se former dans la soupe refroidissante mais toujours très chaude de protons , d' électrons et de photons qui composaient l'univers. Avant l'époque de la recombinaison, cette soupe , un plasma , était en grande partie opaque au rayonnement électromagnétique des photons. Cela signifiait que les photons excités en permanence étaient trop souvent diffusés par les protons et les électrons pour voyager très loin en ligne droite. Au cours de l'époque de la recombinaison, l'univers s'est refroidi rapidement alors que les électrons libres étaient capturés par les noyaux atomiques ; les atomes se sont formés à partir de leurs éléments constitutifs et l'univers est devenu transparent : la quantité de diffusion de photons a considérablement diminué. Se diffusant moins, les photons pourraient diffuser (voyager) des distances beaucoup plus grandes. Il n'y avait pas d'amortissement de diffusion significatif pour les électrons, qui ne pouvaient pas diffuser aussi loin que les photons pouvaient le faire dans des circonstances similaires. Ainsi, tout amortissement par diffusion électronique est négligeable par rapport à l'amortissement par diffusion photonique.

Les perturbations acoustiques des fluctuations de densité initiales dans l'univers ont rendu certaines régions de l'espace plus chaudes et plus denses que d'autres. Ces différences de température et de densité sont appelées anisotropies . Les photons se sont diffusés des régions chaudes et surdenses du plasma vers les régions froides et sous-denses : ils ont traîné les protons et les électrons : les photons ont poussé les électrons, et ceux-ci, à leur tour, ont entraîné des protons par la force de Coulomb . Cela a provoqué la moyenne des températures et des densités des régions chaudes et froides et l'univers est devenu moins anisotrope (caractéristiquement varié) et plus isotrope (caractéristiquement uniforme). Cette réduction d'anisotropie est l' amortissement de l' amortissement de diffusion. L'amortissement de diffusion atténue ainsi les anisotropies de température et de densité dans l'univers primitif. Avec de la matière baryonique (protons et électrons) échappant aux zones denses avec les photons ; les inégalités de température et de densité ont été amorties adiabatiquement . C'est-à-dire que les rapports photons/baryons sont restés constants pendant le processus d'amortissement.

La diffusion de photons a été décrite pour la première fois dans l'article de Joseph Silk de 1968 intitulé "Cosmic Black-Body Radiation and Galaxy Formation", qui a été publié dans The Astrophysical Journal . En tant que tel, l'amortissement par diffusion est parfois également appelé amortissement Silk , bien que ce terme ne puisse s'appliquer qu'à un seul scénario d'amortissement possible. L'amortissement de la soie a ainsi été nommé d'après son découvreur.

Ordre de grandeur

L'amplitude de l'amortissement de diffusion est calculée en tant que facteur d'amortissement ou facteur de suppression , représenté par le symbole , qui figure dans l' équation de Boltzmann , une équation qui décrit l'amplitude des perturbations dans le CMB. La force de l'amortissement de diffusion est principalement régie par la distance parcourue par les photons avant d'être diffusés (longueur de diffusion). Ce qui affecte la longueur de diffusion sont principalement les propriétés du plasma en question : différentes sortes de plasma peuvent subir différentes sortes d'amortissement de diffusion. L'évolution d'un plasma peut également affecter le processus d'amortissement. ${\displaystyle {\mathcal {D}}}$

${\displaystyle {\mathcal {D}}({\mathit {k}})=\int _{0}^{\eta _{0}}{\dot {\tau }}e^{-[{\ mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2}}\;d\eta .}$

Où:

• ${\style d'affichage \eta }$est le temps conforme .
• ${\displaystyle {\dot {\tau }}}$est la "profondeur optique différentielle pour la diffusion Thomson". La diffusion Thomson est la diffusion du rayonnement électromagnétique (lumière) par des particules chargées telles que des électrons.
• ${\displaystyle {\mathit {k}}}$est le numéro d'onde de l'onde supprimée.
• ${\displaystyle ({\dot {\tau }}e^{-[{\mathit {k}}/{{\mathit {k}}_{\mathit {D}}(\eta )}]^{2 }})}$est la fonction de visibilité .
• ${\displaystyle {{\mathit {k}}_{\mathit {D}}}(\eta )={2\pi }/\lambda _{\mathit {D}}}$

Le facteur d'amortissement , lorsqu'il est pris en compte dans l' équation de Boltzmann pour le rayonnement de fond cosmique micro-ondes (CMB), réduit l'amplitude des perturbations : ${\displaystyle {\mathcal {D}}}$

${\displaystyle [\Theta _{0}+\Psi ](\eta _{\ast })=[{\hat {\Theta }}_{0}+\Psi ](\eta _{\ast }) {\mathcal {D}}({\mathit {k}}).}$

Où:

• ${\displaystyle {\mathit {\eta }}_{\ast }}$ est le temps conforme au découplage.
• ${\displaystyle \Thêta _{0}}$ est le "monopole [perturbation] de la fonction de distribution des photons"
• ${\style d'affichage \Psi }$est un "potentiel gravitationnel [perturbation] dans la jauge newtonienne". La jauge newtonienne est une grandeur d'importance dans la théorie de la relativité générale .
• ${\displaystyle [\Theta _{0}+\Psi ](\eta )}$ est la température effective.

Trois marches aléatoires en trois dimensions. Dans l'amortissement par diffusion, les photons des régions chaudes se diffusent vers les régions froides par marche aléatoire, donc après des étapes, les photons ont parcouru une distance .${\displaystyle {\mathit {N}}}$${\displaystyle \lambda _{D}={\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{C}}$

Les calculs mathématiques du facteur d'amortissement dépendent de , ou de l' échelle de diffusion effective , qui à son tour dépend d'une valeur cruciale, la longueur de diffusion , . La longueur de diffusion concerne la distance parcourue par les photons lors de la diffusion et comprend un nombre fini d'étapes courtes dans des directions aléatoires. La moyenne de ces étapes est le libre parcours moyen de Compton , et est notée . Comme la direction de ces pas est prise au hasard, est approximativement égal à , où est le nombre de pas que le photon prend avant le temps conforme au découplage ( ). ${\displaystyle {\mathit {k}}_{\mathit {D}}}$${\displaystyle \lambda _{\mathit {D}}}$${\displaystyle \lambda _{\mathit {C}}}$${\displaystyle \lambda _{\mathit {D}}}$${\displaystyle {\sqrt {\mathit {N}}}\lambda _{\mathit {C}}}$${\displaystyle {\mathit {N}}}$${\displaystyle {\mathit {\eta }}_{\ast }}$

La longueur de diffusion augmente à la recombinaison parce que le libre parcours moyen augmente, avec moins de diffusion de photons; cela augmente la quantité de diffusion et d'amortissement. Le libre parcours moyen augmente car la fraction d'ionisation des électrons , , diminue à mesure que l' hydrogène ionisé et l' hélium se lient aux électrons libres et chargés. Au fur et à mesure que cela se produit, le libre parcours moyen augmente proportionnellement : . C'est-à-dire que le libre parcours moyen des photons est inversement proportionnel à la fraction d'ionisation des électrons et à la densité en nombre de baryons ( ). Cela signifie que plus il y avait de baryons, et plus ils étaient ionisés, plus le photon moyen pouvait voyager court avant d'en rencontrer un et d'être dispersé. De petites modifications de ces valeurs avant ou pendant la recombinaison peuvent augmenter considérablement l'effet d'amortissement. Cette dépendance à la densité baryonique par diffusion de photons permet aux scientifiques d'utiliser l'analyse de ces derniers pour étudier les premiers, en plus de l'histoire de l'ionisation. ${\displaystyle {\mathit {x}}_{\mathit {e}}}$${\displaystyle \lambda _{\mathit {C}}\varpropto {({\mathit {x}}_{\mathit {e}}{\mathit {n}}_{\mathit {b}})}^ {-1}}$${\displaystyle {\mathit {n}}_{\mathit {b}}}$

L'effet de l'amortissement par diffusion est fortement augmenté par la largeur finie de la surface de dernière diffusion (SLS). La largeur finie du SLS signifie que les photons CMB que nous voyons n'ont pas tous été émis en même temps, et les fluctuations que nous voyons ne sont pas toutes en phase. Cela signifie également que pendant la recombinaison, la longueur de diffusion a considérablement changé, à mesure que la fraction d'ionisation se déplaçait.

Dépendance du modèle

En général, l'amortissement par diffusion produit ses effets indépendamment du modèle cosmologique étudié, masquant ainsi les effets d'autres phénomènes dépendants du modèle . Cela signifie que sans un modèle précis d'amortissement de diffusion, les scientifiques ne peuvent pas juger des mérites relatifs des modèles cosmologiques, dont les prédictions théoriques ne peuvent être comparées aux données d'observation, ces données étant obscurcies par des effets d'amortissement. Par exemple, les pics du spectre de puissance dus aux oscillations acoustiques sont diminués en amplitude par amortissement de diffusion. Cette désamplification du spectre de puissance masque des caractéristiques de la courbe, caractéristiques qui seraient autrement plus visibles.

Bien que l'amortissement général de la diffusion puisse amortir les perturbations de la matière noire sans collision simplement dues à la dispersion des photons, le terme amortissement de la soie s'applique uniquement à l'amortissement des modèles adiabatiques de la matière baryonique, qui est couplé aux photons diffusants, et non à la matière noire , et diffuse avec eux. L'amortissement de la soie n'est pas aussi important dans les modèles de développement cosmologique qui postulent des fluctuations d'isocourbure précoces (c'est-à-dire des fluctuations qui ne nécessitent pas un rapport constant de baryons et de photons). Dans ce cas, les augmentations de la densité de baryons ne nécessitent pas d'augmentations correspondantes de la densité de photons, et plus la densité de photons est faible, moins il y aurait de diffusion : moins de diffusion, moins d'amortissement. La diffusion des photons ne dépend pas des causes des fluctuations initiales de la densité de l'univers.

Effets

La vitesse

L'amortissement se produit à deux échelles différentes, le processus fonctionnant plus rapidement sur de courtes distances que sur de plus longues distances. Ici, une courte longueur est une longueur inférieure au libre parcours moyen des photons. Une longue distance est une distance supérieure au libre parcours moyen, si elle est toujours inférieure à la longueur de diffusion. A plus petite échelle, les perturbations sont amorties presque instantanément. À plus grande échelle, les anisotropies diminuent plus lentement, avec une dégradation significative se produisant dans une unité de temps de Hubble .

L'échelle de soie et la masse de soie

L'amortissement de la diffusion diminue de façon exponentielle les anisotropies dans le CMB sur une échelle (l' échelle de Silk ) bien inférieure à un degré , ou inférieure à environ 3 mégaparsecs . Cette échelle angulaire correspond à un moment multipolaire . La masse contenue dans l'échelle de soie est la masse de soie . Les évaluations numériques de la masse de la soie donnent des résultats de l'ordre des masses solaires à la recombinaison et de l'ordre de la masse d'une galaxie actuelle ou d'un amas de galaxies à l'ère actuelle. ${\displaystyle {\mathit {l}}\gtrsim 800}$${\displaystyle 10^{13}}$

${\displaystyle {\mathit {M}}_{\mathit {s}}\approx {\frac {{\mathit {m}}_{\mathit {p}}{{\mathit {t}}_{\ mathit {rec}}}^{3/2}}{\sqrt {{\mathit {n}}_{\mathit {rec}}\sigma ^{3}}}}.}$

Les scientifiques disent que l'amortissement par diffusion affecte les petits angles et les anisotropies correspondantes. D'autres effets opèrent à une échelle appelée intermédiaire ou grande . Les recherches d'anisotropies à petite échelle ne sont pas aussi difficiles que celles à plus grande échelle, en partie parce qu'elles peuvent utiliser des télescopes au sol et que leurs résultats peuvent être plus facilement prédits par les modèles théoriques actuels. ${\displaystyle 10\lesssim {\mathit {l}}\lesssim 100}$ ${\displaystyle {\mathit {l}}\moinsenviron 10}$

Formation de galaxies

Les scientifiques étudient l'amortissement de la diffusion des photons (et les anisotropies du CMB en général) en raison de la perspicacité que le sujet apporte à la question « Comment l'univers est-il né ? ». Plus précisément, les anisotropies primordiales de la température et de la densité de l'univers sont censées être les causes de la formation ultérieure de structures à grande échelle. C'est donc l'amplification de petites perturbations dans l'univers de pré-recombinaison qui s'est développée dans les galaxies et les amas de galaxies de l'ère actuelle. L'amortissement de la diffusion a rendu l'univers isotrope à des distances de l'ordre de l'échelle de soie. Que cette échelle corresponde à la taille des galaxies observées (lorsque le passage du temps est pris en compte) implique que l'amortissement de diffusion est responsable de la limitation de la taille de ces galaxies. La théorie est que les amas de matière dans l'univers primitif sont devenus les galaxies que nous voyons aujourd'hui, et la taille de ces galaxies est liée à la température et à la densité des amas.

La diffusion peut également avoir eu un effet significatif sur l'évolution des champs magnétiques cosmiques primordiaux , champs qui peuvent avoir été amplifiés au fil du temps pour devenir des champs magnétiques galactiques. Cependant, ces champs magnétiques cosmiques peuvent avoir été amortis par diffusion radiative : tout comme les oscillations acoustiques dans le plasma ont été amorties par la diffusion de photons, les ondes magnétosoniques (ondes d'ions traversant un plasma magnétisé) le sont aussi. Ce processus a commencé avant l'ère du découplage des neutrinos et s'est terminé au moment de la recombinaison.

Voir également

• Chronologie de l'univers
• Joseph Soie
• Diffusion de photons
• Chronologie des théories cosmologiques

Remarques

Les références

Bibliographie

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Liens externes

• Amortissement de diffusion expliqué dans un "1997 Travelguide to CMB physics" par Wayne Hu