CMB谱的产生：黑体光球的精确解析解

CMB的黑体谱是在红移z>2×10^6的黑体光球中产生的。在这些早期时刻，宇宙足够稠密和炽热，以至于重子物质（电子和离子）与光子之间能够建立完全的热平衡。任何偏离黑体谱的扰动都被指数级地抑制。新物理，例如暗物质的湮灭和衰变，可以在红移z>10^5时向CMB注入能量和光子，并导致具有非零化学势（μ）的玻色-爱因斯坦谱。为了计算μ型谱畸变并约束潜在的新物理，需要精确了解CMB谱在临界红移z~2×10^6附近的演化。尽管对重要过程（双康普顿过程、康普顿化和轫致辐射）进行数值计算并不困难，但解析解计算更快、更简便，并能提供有价值的物理洞察。我们给出了早期时代产生的μ衰变的精确（优于1%）解析解，涵盖了所有三个过程：双康普顿过程、热电子上的康普顿散射以及小畸变极限下的轫致辐射。这比现有精度约10%或更差的解有了显著改进。我们还对标准宇宙学中向CMB注入能量的重要来源进行了普查。特别是，来自电子-正电子湮灭和原初核合成的畸变计算戏剧性地说明了早期宇宙中平衡恢复过程的强度。最后，我们指出了标准宇宙学中的三重简并性，即来自重子和电子的绝热冷却、西尔克阻尼以及热产生WIMP暗物质湮灭的μ和y畸变具有相似的量级（约10^{-8}-10^{-10}）。