Wouthuysen – Feltkobling - Wouthuysen–Field coupling

Wouthuysen – feltkobling , eller Wouthuysen – felteffekten , er en mekanisme som kobler sammen eksitasjonstemperaturen , også kalt spinntemperaturen , for nøytralt hydrogen til Lyman-alfa- stråling. Denne koblingen spiller en rolle i å produsere en forskjell i temperaturen på nøytralt hydrogen og den kosmiske mikrobølgebakgrunnen på slutten av mørketiden og begynnelsen av epoken med reionisering . Den er oppkalt etter Siegfried Adolf Wouthuysen og George B. Field .

Bakgrunn

Perioden etter at rekombinasjonen skjedde og før stjerner og galakser dannet, er kjent som "mørke tider". I løpet av denne tiden er størstedelen av materien i universet nøytralt hydrogen. Dette hydrogenet har ennå ikke blitt observert, men det er eksperimenter på gang for å oppdage hydrogenlinjen som ble produsert i denne tiden. Hydrogenledningen skjer når et elektron i en nøytral hydrogenatom blir eksitert til lett spinn tilstand, eller de-eksitert som elektron og proton spinn gå til singlet tilstand. Energiforskjellen mellom disse to hyperfine tilstandene er elektronvolt , med en bølgelengde på 21 centimeter. Til tider når nøytralt hydrogen er i termodynamisk likevekt med fotonene i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), er det sagt at det nøytrale hydrogenet og CMB er "koblet", og hydrogenlinjen er ikke observerbar. Det er først når de to temperaturene er forskjellige, dvs. er frakoblet, at hydrogenlinjen kan observeres.

Koblingsmekanisme

Wouthuysen – feltkobling er en mekanisme som kobler spinnetemperaturen for nøytralt hydrogen til Lyman-alfa-stråling, som avkobler det nøytrale hydrogenet fra CMB. Energien til Lyman-alfa-overgangen er 10,2 eV - denne energien er omtrent to millioner ganger større enn hydrogenlinjen, og produseres av astrofysiske kilder som stjerner og kvasarer . Nøytralt hydrogen absorberer Lyman-alfa-fotoner, og sender deretter ut Lyman-alfa-fotoner på nytt, og kan komme inn i en av de to spinntilstandene. Denne prosessen forårsaker en omfordeling av elektronene mellom hyperfine-tilstandene, og kobler det nøytrale hydrogenet fra CMB-fotonene.

Koblingen mellom Lyman-alfa-fotoner og hyperfine-tilstandene avhenger ikke av intensiteten til Lyman-alfa-strålingen, men av formen på spekteret i nærheten av Lyman-alfa-overgangen. At denne mekanismen kan påvirke befolkningen i hyperfine stater i nøytralt hydrogen ble først foreslått i 1952 av SA Wouthuysen, og deretter videreutviklet av George B. Field i 1959.

Effekten av Lyman-alfa-fotoner på hyperfine-nivåene avhenger av de relative intensitetene til de røde og blå vingene i Lyman-alfa-linjen, noe som gjenspeiler den svært lave forskjellen i energi til hyperfine-tilstandene i forhold til Lyman-alfa-overgangen. Ved en kosmologisk rødforskyvning av , forventes Wouthuysen – feltkobling å heve sentrifugetemperaturen for nøytralt hydrogen over CMB, og gi utslipp i hydrogenlinjen.

Observasjonsutsikter

Et hydrogenlinjesignal produsert av Wouthuysen – feltkobling er ennå ikke observert. Det er flere eksperimenter og radioobservatorier som tar sikte på å oppdage den nøytrale hydrogenlinjen de mørke middelalderen og reioniseringsperioden, den tiden Wouthuysen – feltkobling forventes å være viktig. Disse inkluderer Giant Metrewave Radio Telescope , Precision Array for Probing the Epoch of Reionization , Murchison Widefield Array , Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages and. Foreslåtte observatorier som tar sikte på å oppdage bevis for Wouthuysen – feltkobling inkluderer Square Kilometre Array og Dark Ages Radio Explorer (DARE) .

Merknader

Referanser