Qu'est-ce qui a rendu les températures plus fraîches adaptées à la formation d'atomes?

J'ai lu par rapport à la théorie du Big Bang qu'après 300 000 ans de température du Big Bang a été réduite à 4500 Kelvin et cela a donné lieu à la matière atomique. Donc, ma question est pourquoi la réduction de la température le rend approprié pour la formation d'atomes?

La température d'un gaz est une mesure de l'énergie cinétique des particules. Pour les molécules, vous pouvez avoir une énergie de rotation et de vibration, tandis que pour les atomes simples, vous avez juste une énergie de translation, ou "mouvement thermique". A une température donnée, les particules n'ont pas exactement la même énergie, mais une répartition des énergies, et donc des vitesses.

La plupart (> 90%) du gaz dans l'Univers est de l'hydrogène. L'énergie nécessaire pour faire tomber l'électron (c'est-à-dire ioniser) un atome d'hydrogène est de 13,6 eV. Pour un gaz de$T \gtrsim 3000\,\mathrm{K}$, la fraction de particules ayant suffisamment d'énergie pour ioniser l'hydrogène est si élevée que la majorité des atomes sont ionisés^$\dagger$, c'est-à-dire divisés en protons et électrons. Ce fut le cas au début de l'histoire de l'Univers. Chaque fois qu'un proton et un électron se rencontraient et se recombinaient pour former un atome neutre, l'électron était presque immédiatement détruit par une particule de haute énergie (généralement un électron, mais il pouvait aussi s'agir d'un proton ou de photons, car toutes les particules étaient " équilibre thermodynamique ", c'est-à-dire partageant la même répartition des énergies).

À mesure que l'Univers se développait, le gaz se refroidissait. À un moment donné, 380 000 ans après le Big Bang, la température avait suffisamment baissé pour qu'il ne soit plus possible de maintenir les atomes ionisés, donc sur une période assez courte ( ans), ils se sont tous recombinés. Cette époque est donc appelée l'époque de la recombinaison .$\sim10^4$

Jusqu'à ce point, tous les photons se diffusaient sur les électrons libres. Les électrons étant "piégés" dans les atomes, ils pouvaient désormais couler librement et "se découpler". Ils voyagent librement depuis, mais depuis qu'ils voyagent à travers un univers en expansion, ils deviennent décalés vers le rouge en cours de route. Depuis lors, l'Univers s'est agrandi d'un facteur d'environ 1100, de même que la longueur d'onde des photons, de sorte qu'aujourd'hui ils ont une température de$3000\,\mathrm{K}/1100\simeq2.7\,\mathrm{K}$. C'est ce que nous considérons comme le fond cosmique des micro-ondes .

^$\dagger$Dans ce cas, ils ne sont en principe pas des "atomes", mais un plasma. Cependant, en astronomie, il est tout à fait normal de l'appeler de toute façon.

Gardez-le aussi simple que possible.

Plus il y a d'énergie, plus il est difficile pour la force électromagnétique (relativement) faible de lier les électrons aux noyaux (et un atome est un noyau avec des électrons qui lui sont liés).

Quand il y avait plus d'énergie, les électrons et les noyaux avaient trop d'énergie pour être liés ensemble.

Une façon simplifiée de voir cela est que les électrons et les noyaux se déplaçaient simplement à un rythme rapide quand ils étaient chauds (la température est liée à l'énergie moyenne qui est liée au mouvement).

Les atomes sont formés par des noyaux entourés d'électrons, liés par la force électromagnétique ; les noyaux sont composés de protons et de neutrons, liés par la force nucléaire puissante ; les protons et les neutrons sont à leur tour composés de (différents types et quantités de) quarks , également liés par la force forte.

Au tout début de l'univers, il est théorisé que toutes les forces (celles mentionnées plus la gravité et la faible force nucléaire) étaient une; à mesure que la température baissait, ils commencèrent à devenir distincts. La température, pour les particules, signifie l'énergie. Vous ne pouvez pas avoir de noyaux atomiques jusqu'à ce que les quarks deviennent liés en tant que protons et nucléons et ceux-ci à leur tour liés les uns aux autres, c'est-à-dire que vous avez besoin de la force nucléaire forte pour être distincts et surmonter la tendance des particules énergétiques à disparaître au hasard.

Une fois que la température baisse, les protons et les neutrons se forment et se lient ensuite aux noyaux. Les électrons sont toujours dispersés, même si la force électromagnétique est également devenue distincte, car ils sont toujours très énergétiques et ils sont touchés tout le temps par d'autres particules énergétiques, et la force électromagnétique est très, très faible par rapport à la force nucléaire puissante . À ce stade, l'univers est un plasma , c'est-à-dire une soupe de noyaux et d'électrons libres. (C'est toujours le cas, en grande partie et à l'exclusion de la matière noire et de l'énergie noire, bien que ce ne soit pas le cas dans notre petit coin, c'est-à-dire la Terre.)

Ensuite, la température baisse encore et la force électromagnétique, qui attire les noyaux chargés positivement vers les électrons chargés négativement, commence à se faire sentir. À ce stade, des atomes «réguliers» peuvent se former (et une fois que la température est suffisamment basse, ils peuvent également se lier les uns aux autres pour former des molécules).

Nous pouvons facilement forcer les noyaux et les électrons à se détacher à nouveau en utilisant une température élevée (ou d'autres formes d'énergie). Il est plutôt plus coûteux de démanteler les noyaux (sauf s'ils sont intrinsèquement instables, c'est-à-dire radioactifs, comme dans le cas de l'uranium), et extrêmement difficile de démanteler les protons ou les neutrons .