Entendiendo el universo temprano: la recombinación del hidrogeno y el freeze-out de los electrones

Abstract

Recombination refers to the process that occurred at the time when electrons and protons were totally ionized by thermal radiation and as the temperature of the universe decreased, the Electrons bond with protons to form hydrogen atoms. This process is important because it is followed by the so-called Decoupling, which is when photons stop interacting with matter in a bound state and the universe becomes transparent to radiation. This is the origin of Cosmic Background Radiation, one of the observational evidences of the Big Bang. Recombination also leaves a residual ionization fraction of free electrons, fundamental for the formation of molecular hydrogen H2, which is the main agent in refrigeration of primordial gas, which when cooling, collapses into H2 clouds and leads to the formation of the first cosmic structures. The evolution of this process can be studied from two approaches: within equilibrium and outside equilibrium. The analysis in equilibrium will be done through the Saha equation, assuming the process in a state of thermal and chemical equilibrium of a gas of particles without interactions and only two types: protons and electrons. However, this approach has its flaws and does not represent the reality of our universe. Using Kinetic Theory, the process can be studied by anchoring with an equation of Boltzmann dynamics that considers collisions between species, breaks the equilibrium state and involves a little more physics than Saha. In this work, both analyzes will be done: in and out of equilibrium; pros and cons of each equilibrium and emphasis will be placed on the process out of the equilibrium, since this is what describes the reality of our Universe and agrees with current cosmological observations and measurements.

La Recombinación se refiere al proceso que ocurrió en la época en que los electrones y protones estaban totalmente ionizados por la radiación térmica y al descender la temperatura del universo, los electrones se unen con los protones para formar átomos de hidrógeno. Este proceso es importante pues es seguido del llamado Desacoplamiento, que es cuando los fotones dejan de interactuar con la materia en estado ligado y el universo se hace transparente a la radiación. Este es el origen de la Radiación Cósmica de Fondo, una de las evidencias observacionales del Big Bang. La Recombinación también deja una fracción de ionización residual de electrones libres, fundamental para la formación de hidrógeno molecular H2, que es el principal agente en la refrigeración del gas primordial, que al enfriarse colapsa en nubes de H2 y da paso a la formación de las primeras estructuras cósmicas. Se puede estudiar la evolución de este proceso desde dos enfoques: dentro del equilibrio y fuera de éste. El análisis en el equilibrio se hará a través de la ecuación de Saha, suponiendo el proceso en un estado de equilibrio térmico y químico de un gas de partículas sin interacciones y solo dos especies: protones y electrones. Sin embargo, esta aproximación tiene sus fallos y no representa la realidad de nuestro universo. Con el uso de la Teoría Cinética, se puede estudiar el proceso haciendo el anclaje con una ecuación de Boltzmann dinámica que considere colisiones entre especies, rompa el estado de equilibrio e involucre un poco m´as de física que Saha. En este trabajo, se harán ambos análisis: dentro y fuera del equilibrio; se verán pros y contras del equilibrio y se hará énfasis en el proceso fuera del equilibrio, pues es éste el que nos describe la realidad de nuestro Universo y concuerda con las observaciones y mediciones cosmológicas actuales.