[論文レビュー] Distortion of the CMB Spectrum by Primeval Hydrogen Recombination

P. Boschán, Peter Biltzinger|ArXiv.org|Nov 5, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、初期宇宙における原始的水素再結合に起因する宇宙背景放射（CMB）スペクトルの歪みを計算し、誘導再結合および水素スペクトルにおける物理的カットオフを組み込む。誘導再結合を含めると、有効再結合係数が4倍に増加し、再結合が加速され、残存イオン化度は2.6倍低下する。歪みは宇宙論的パラメータに依存し、190 μm未満の波長域で顕著に現れる。

ABSTRACT

We solve the recombination equation by taking into account the induced recombinations and a physical cut off in the hydrogen spectrum. The effective recombination coefficient is parametrized as a function of temperature and free electron density and is about a factor of four larger than without the induced recombination. This accelerates the last stage of the recombination processes and diminishes the residual ionization by a factor of about 2.6. The number and energy distribution of photons issuing from the hydrogen recombination are calculated. The distortion of the cosmic microwave background (CMB) spectrum depends strongly on the cosmological parameters Ω, Ω_b and H_0 and differs essentially from the Planck-spectrum for wavelengths < 190 μm.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における水素再結合が引き起こすCMBスペクトル歪みをモデル化すること。
• 従来の研究で無視されたり近似処理されてきた、誘導再結合プロセスおよび水素スペクトルにおける物理的カットオフを考慮すること。
• 宇宙論的パラメータ（Ω, Ω_b, H₀）がもたらすCMBスペクトル歪みに与える影響を定量化すること。
• 有効再結合係数の物理的根拠に基づくパラメータ化を用いることで、再結合歴のモデル化精度を向上させること。

提案手法

• 誘導再結合プロセスを含めた再結合方程式を解く。
• 物理的に不適切な高エネルギー遷移を回避するため、水素スペクトルに物理的カットオフを適用する。
• 温度および自由電子密度の関数として有効再結合係数をパラメータ化する。
• 水素再結合中に放出される光子の数およびエネルギー分布を計算する。
• 特に190 μm未満の波長域におけるCMBスペクトル歪みを評価する。
• 宇宙論的パラメータ（Ω, Ω_b, H₀）を入力として用い、スペクトル歪みへの感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的水素における誘導再結合を含めると、有効再結合係数はどのように変化するか？
• RQ2 水素スペクトルにおける物理的カットオフは、再結合ダイナミクスにどのような影響を及えるか？
• RQ3 誘導再結合を含めると、再結合後の残存イオン化分率はどのように変化するか？
• RQ4 水素再結合に起因するCMB歪みの大きさとスペクトル形状は何か？
• RQ5 Ω, Ω_b, H₀などの宇宙論的パラメータの変動に、得られるスペクトル歪みはどの程度感受性を示すか？

主な発見

• 誘導再結合を含めると、有効再結合係数は約4倍に増加する。
• 誘導プロセスによる再結合率の上昇により、再結合の最終段階が加速される。
• 誘導再結合を含まないモデルと比較して、残存イオン化分率は約2.6倍低下する。
• CMBのスペクトル歪みは、190 μm未満の波長域で顕著に現れる。
• 歪みのパターンは宇宙論的パラメータ、特にΩ, Ω_b, H₀に強く依存し、ミリ波長帯以下ではプランクスペクトルから著しく逸脱する。