Wouthuysen–Fältkoppling

Wouthuysen–Field-koppling , eller Wouthuysen–Field-effekten , är en mekanism som kopplar excitationstemperaturen , även kallad spintemperaturen, av neutralt väte till Lyman-alfastrålning . Denna koppling spelar en roll för att producera en skillnad i temperaturen för neutralt väte och den kosmiska mikrovågsbakgrunden i slutet av den mörka medeltiden och början av återjoniseringens epok . Den är uppkallad efter Siegfried Adolf Wouthuysen och George B. Field .

Bakgrund

Perioden efter rekombination inträffade och innan stjärnor och galaxer bildades kallas "mörka åldrar". Under denna tid är majoriteten av materia i universum neutralt väte. Detta väte har ännu inte observerats, men det pågår experiment för att upptäcka vätelinjen som producerades under denna era. Vätelinjen produceras när en elektron i en neutral väteatom exciteras till triplettspintillståndet , eller deexciteras när elektron- och protonspinningen går till singletttillståndet . Energiskillnaden mellan dessa två hyperfina tillstånd är $5,9\ gånger 10^{-6}$ elektronvolt , med en våglängd på 21 centimeter. Vid tillfällen när neutralt väte är i termodynamisk jämvikt med fotonerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), sägs det neutrala vätet och CMB vara "kopplade", och vätelinjen är inte observerbar. Det är först när de två temperaturerna skiljer sig åt, dvs är frikopplade, som vätelinjen kan observeras.

Kopplingsmekanism

Wouthuysen-fältkoppling är en mekanism som kopplar spintemperaturen för neutralt väte till Lyman-alfa-strålning, som frikopplar det neutrala vätet från CMB. Energin för Lyman-alfa-övergången är 10,2 eV - denna energi är ungefär två miljoner gånger större än vätelinjen och produceras av astrofysiska källor som stjärnor och kvasarer . Neutralt väte absorberar Lyman-alfa-fotoner och återutsänder sedan Lyman-alfa-fotoner och kan komma in i något av de två spinntillstånden. Denna process orsakar en omfördelning av elektronerna mellan de hyperfina tillstånden, vilket frikopplar det neutrala vätet från CMB-fotonerna.

Kopplingen mellan Lyman-alfa-fotoner och de hyperfina tillstånden beror inte på intensiteten av Lyman-alfa-strålningen, utan på formen på spektrumet i närheten av Lyman-alfa-övergången. Att denna mekanism kan påverka populationen av de hyperfina tillstånden i neutralt väte föreslogs först 1952 av SA Wouthuysen, och utvecklades sedan vidare av George B. Field 1959.

Effekten av Lyman-alfa-fotoner på de hyperfina nivåerna beror på de relativa intensiteterna hos de röda och blå vingarna på Lyman-alfa-linjen, vilket återspeglar den mycket lilla skillnaden i energi för de hyperfina tillstånden i förhållande till Lyman-alfa-övergången. Vid en kosmologisk rödförskjutning på $z\sim 6$ förväntas Wouthuysen-Field-koppling höja rotationstemperaturen för neutralt väte över den för CMB och producera emission i vätelinjen.

Observationsutsikter

En väteledningssignal producerad av Wouthuysen-fältkopplingen har ännu inte observerats. Det finns flera experiment och radioobservatorier som syftar till att upptäcka den neutrala vätelinjen under den mörka medeltiden och epok av återjonisering, den tidpunkt då Wouthuysen-Field-kopplingen förväntas vara viktig. Dessa inkluderar Giant Metrewave Radio Telescope , Precision Array for Probing the Epoch of Reionization , Murchison Widefield Array , Large Aperture Experiment to Discover the Dark Ages och . Föreslagna observatorier som syftar till att upptäcka bevis på Wouthuysen-fältkoppling inkluderar Square Kilometer Array och Dark Ages Radio Explorer (DARE) .

Se även

• Frikoppling (kosmologi)

Anteckningar

•   Baek, S.; Semelin, B.; Di Matteo, P.; Revaz, Y.; Combes, F. (2010). "Återjonisering av UV- eller röntgenkällor". Astronomi & Astrofysik . 523 : A4. arXiv : 1003.0834 . Bibcode : 2010A&A...523A...4B . doi : 10.1051/0004-6361/201014347 . S2CID 118601309 .
• Field, GB (1959). "Snurrtemperaturen för intergalaktiskt neutralt väte". The Astrophysical Journal . 129 : 536. Bibcode : 1959ApJ...129..536F . doi : 10.1086/146653 .
• Field, GB (1959). "Tidsavslappningen av en resonanslinjeprofil". The Astrophysical Journal . 129 : 551. Bibcode : 1959ApJ...129..551F . doi : 10.1086/146654 .
•   Higgins, J.; Meiksin, A. (2009). "Wouthuysen-fälteffekten i ett klumpigt intergalaktiskt medium". Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . 393 (3): 949. arXiv : 0811.1184 . Bibcode : 2009MNRAS.393..949H . doi : 10.1111/j.1365-2966.2008.14199.x . S2CID 16657336 .
•   Loeb, A.; Barkana, R. (2001). "Thereionization of Theuniverse av Thefirststars Andquasars". Årlig översyn av astronomi och astrofysik . 39 : 19–66. arXiv : astro-ph/0010467 . Bibcode : 2001ARA&A..39...19L . doi : 10.1146/annurev.astro.39.1.19 . S2CID 119533439 .
•   Madau, P.; Meiksin, A.; Rees, MJ (1997). "21 centimeters tomografi av det intergalaktiska mediet vid hög rödförskjutning". The Astrophysical Journal . 475 (2): 429. arXiv : astro-ph/9608010 . Bibcode : 1997ApJ...475..429M . doi : 10.1086/303549 . S2CID 118239661 .
•   Stiavelli, Massimo (2009). Från första ljuset till återjonisering: slutet av den mörka medeltiden . Wiley-VCH . Bibcode : 2009fflr.book.....S . ISBN 978-3-527-40705-7 .
• Wouthuysen, SA (1952). "Om excitationsmekanismen för den 21-cm (radiofrekvens) interstellära väteutsläppslinjen" . The Astronomical Journal . 57 : 31. Bibcode : 1952AJ.....57R..31W . doi : 10.1086/106661 .