Fotoneloszlást befolyásoló hatások

Az univerzum tágulásával a fotonok hullámhossza nő, átlagos energiájuk csökken. Az elektronokból és főként hidrogén- és héliumatommagokból álló kozmikus plazmában atomok kombinálódnak. A kialakuló atomokat a fotonok egyre kevésbé képesek ionizálni, és lecsatolódnak a többi anyagkomponensről. Így a fotonok kozmikus eloszlásában detektált anizotrópiák az univerzum korai anyageloszlásának anizotrópiáit jelzik.

A háttérsugárzás anizotrópiáinak származtatásához a rekombináció során végbemenő folyamatok minél pontosabb modellezése szükséges. A lecsatolódás előtti korszakban az Univerzumot fotonok, neutrínók, ionok, sötét anyag és a kialakuló atomok alkotják. Az egyes komponensek szóródnak egymáson, ez hat az eloszlásukra. A fotoneloszlást befolyásoló főbb tényezők a következők:

• A rekombináció korszakában a fotonok Compton-szóródnak a töltött részecskéken (elektron, ionok). A folyamat hatáskeresztmetszete fordítottan arányos a töltött részecske tömegének négyzetével, így az elektronon történő szóródás hatásai mellett az ionokon történő szóródásokéi elhanyagolhatók. A protonokon történő szóródás hatáskeresztmetszete mintegy $3\times 10^{-7}$-szer kisebb az elektronon szórásénál.

• Az elektronon történő $e^{-}+\gamma \rightleftarrows e^{-}+\gamma +\gamma$ dupla Compton-szórások között eltelt $t^{\text{DC}}$ és az $% e^{-}+\gamma \rightleftarrows e^{-}+\gamma$ Compton-szórások között eltelt $% t_{c}$ átlagos időtartamok aránya: $t^{\text{DC}}/t_{c}=\pi /8\alpha \times \left( m_{e}/T\right) ^{2}$ (itt $\alpha$ a szerkezeti állandó) [35], ami azt mutatja, hogy a rekombináció korszakában ($T\approx$eV) a közönséges Compton-szórás mintegy $10000$-szer hatásosabb.

• A töltött részecskék fékezési sugárzásából (Bremsstrahlung) szintén származnak fotonok. A fékezési sugárzás dominánsan abból származik, hogy egy elektron mozgásának iránya megváltozik az ionizált hidrogén- és héliumatomok környezetében. A folyamat a dupla Compton-szóráshoz képest kevésbé hatásos a rekombináció korszakában [35].

• A fotonok semleges részecskéken történő szóródása a Rayleigh-szórás. A dupla Compton-szórás és a fékezési sugárzásnál jelentősebb ez az effektus. A Rayleigh-szórás hatása a hőmérsékleti $C_{l}$ anizotrópia-spektrumban [$% C_{l}$ spektrumot alább a (6.130) egyenlet definiálja] a fotonfrekvencia és $l$ növekedésével növekszik. Magasmultipólokra ( $l\propto 1000$) a hidrogénen történő Rayleigh-szórás hatásának elhanyagolása $\propto$100 GHz, $\propto$350 GHz és $\propto$550 GHz frekvenciákon a hőmérsékleti spektrumban rendre mintegy $0,1\%$, $0,5\%$ és $3\%$-os hibát eredményez [36]. Összehasonlításként a WMAP öt diszkrét frekvencia sávban mért, amelyek központi frekvenciái 23 GHz és 94 GHz tartományban helyezkednek el. A Rayleigh-szórás hatásának kimutatása a Planck szonda méréseiből remélhető, amelynek mérési frekvenciasávjai közül a legmagasabbnak a központi frekvenciája 857 GHz.

• Végül a fotoneloszlást közvetve befolyásoló, szintén fontos tényező az anyagkomponensek (Bardeen-potenciálokon keresztül történő) gravitációs kölcsönhatása.